DE1145729B - Vorrichtung zur Schutzgas-Lichtbogenschweissung, insbesondere mit Kohlendioxyd, mit kontinuierlich vorgeschobener abschmelzender Drahtelektrode und einem Schweissstromkreis mit induktivem Widerstand - Google Patents

Vorrichtung zur Schutzgas-Lichtbogenschweissung, insbesondere mit Kohlendioxyd, mit kontinuierlich vorgeschobener abschmelzender Drahtelektrode und einem Schweissstromkreis mit induktivem Widerstand

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DE1145729B
DE1145729B DEA31727A DEA0031727A DE1145729B DE 1145729 B DE1145729 B DE 1145729B DE A31727 A DEA31727 A DE A31727A DE A0031727 A DEA0031727 A DE A0031727A DE 1145729 B DE1145729 B DE 1145729B
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Roger W Tuthill
Alanson U Welch
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Description

  • Vorrichtung zur Schutzgas-Lichtbogenschweißung, insbesondere mit Kohlendioxyd, mit kontinuierlich vorgeschobener abschmelzender Drahtelektrode und einem Schweißstromkreis mit induktivem Widerstand Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schutzgas-Lichtbogenschweißung, insbesondere mit Kohlendioxyd, mit kontinuierlich vorgeschobener abschmelzender Drahtelektrode und einem induktiven Widerstand in Reihe mit dem Lichtbogen im Schweißstromkreis.
  • Durch die USA.-Patentschrift 2 504 868 ist ein Lichtbogenschweißverfahren mit einem Edelgas als Schutzgas bekannt, bei dem das geschmolzene Metall von der Elektrode in Form kleiner Sprühtröpfchen auf das Werkstück übergeht, und zwar ohne daß die bei großtropfigem Übergang auftretenden Kurzschlüsse im Lichtbogen entstehen.
  • Dieses Verfahren läßt sich nur mit Edelgasen durchführen. Bei Verwendung von billigem Kohlendioxyd als Schutzgas tritt das Schweißmaterial großtropfig über, und es entstehen erhebliche Mengen von Schweißspritzern, die sich auf dem Werkstück und der Schweißpistole absetzen.
  • Allgemein ist ein Nachteil aller bekannten automatischen und halbautomatischen Lichtbogenschweißverfahren mit abbrennender Elektrode die hohe Wärmezufuhr zum Werkstück. In dem bekannten Lichtbogen mit verhältnismäßig hohen Lichtbogenströmen wird das Schweißmaterial überhitzt, d. h., das Material geht mit oder in der Nähe der Siedetemperatur auf das Werkstück über. Das Schweißbad ist damit verhältnismäßig groß und sehr flüssig, wodurch es schwierig wird, das Schweißbad, insbesondere bei Senkrecht- oder Überkopfschweißung, zu beherrschen. Weiter ist durch die große Wärme des Schmelzbades die Anwendung auf Werkstücke mit dünnen Querschnitten erschwert, da diese leicht durchschmelzen.
  • Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Schutzgas-Lichtbogenschweißung, insbesondere mit Kohlendioxyd, die im wesentlichen spritzfrei arbeitet und ein kleines Schmelzbad mit verhältnismäßig niedriger Temperatur des Schweißmetalls erzeugt.
  • Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung erreicht durch die Kombination folgender Merkmale: a) Die Arbeitsspannung der Schweißstromquelle liegt unterhalb derjenigen Spannung, die zur Erhaltung eines stetig brennenden Lichtbogens zwischen Elektrode und Werkstück erforderlich ist, so daß beim Schweißen zwar kein stabiler Lichtbogen, wohl aber eine stetige Folge von Kurzschlüssen entsteht; b) die Gesamtinduktivität des Schweißstromkreises ist so gewählt, daß die beim Zusammenbruch des elektrischen Feldes in dem Schweißstromkreis induzierte Spannung zusammen mit der Arbeitsspannung der Schweißstromquelle ausreicht, um nach jedem Kurzschlußstromstoß für eine begrenzte Zeit einen Lichtbogen aufrechtzuerhalten, wobei die Dauer des Lichtbogens - und damit die dem Elektrodenende zugeführte Energie - so bemessen ist, daß kein Werkstoff frei im Lichtbogen übergeht, sondern der Werkstoffübergang auf den Augenblick der Berührung zwischen Elektrode und Schmelzbad beschränkt ist; c) die Gesamtinduktivität des Schweißstromkreises ist weiter so gewählt, daß der Kurzschlußstrom so begrenzt ist, daß beim Kontakt zwischen Elektrode und Werkstück kein übermäßiges Spritzen auftritt. Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel in der Zeichnung dargestellt und im einzelnen an Hand der Zeichnung beschrieben.
  • Fig. 1 stellt in vereinfachter Form ein vollständiges Schweißsystem dar, das in Übereinstimmung mit der Erfindung arbeitet; Fig. 2 bis 6 erläutern die Folge von Ereignissen im Lichtbogen während eines vollständigen Arbeitszyklus von Kurzschluß zu Kurzschluß; diesen Figuren liegen hauptsächlich Beobachtungen des Lichtbogens mittels Zeitdehneraufnahmen zugrunde; Fig. 7 bis 10 beschreiben die Veränderungen im Strom und in der Spannung, wie sie während der praktischen Durchführung der Erfindung auftreten.
  • Die Energiequelle 11 des Schweißstromes ist vorzugsweise ein umlaufender Generator, der von einer elektrischen oder mechanischen Antriebsmaschine angetrieben wird, oder eine Schweißeinrichtung mit Transformator und Gleichrichter, obwohl auch andere Stromquellen, wie Batterien, verwendet werden können. Es kommt sehr auf die besonderen elektrischen Kennlinien der Energiequelle an, die wesentlich für die Erfindung sind, wie im folgenden im einzelnen dargelegt wird. Es soll hier jedoch darauf hingewiesen werden, daß eine bestimmte Gesamtinduktivität in der Energiequelle und der angeschlossenen Schaltung verlangt wird. Die Drosselspule 15 ist in der Schaltung nach Fig. 1 dargestellt, um die Induktivität der Schweißzuleitungen usw. ebenso wie irgendeineReiheninduktivität zu verkörpern, die zusätzlich in die Schaltung eingefügt ist. Die Energiequelle muß eine verhältnismäßig niedrige Leerlaufspannung haben.
  • Die oben beschriebene Apparatur arbeitet, entsprechend der Erfindung, wie folgt: Der Motor 21, der vorzugsweise mit konstanter Geschwindigkeit arbeitet, treibt die Zuführrollen 16 an, die den Elektrodendraht 13 von der Drahtvorratsspule 14 abziehen. Nach dem Verlassen der Vorratsrollen läuft der Draht durch das biegsame Gehäuse 17 und den Elektrodenhalter 18. Das Schutzgas wird aus dem Vorratszylinder 22 mit reguliertem Druck dem Elektrodenhalter durch das Gehäuse 17 zugeführt, wo es als ringförmiger Strom herausströmt und das Ende der Elektrode 13 umgibt, wenn diese aus dem Elektrodenhalter 18 heraustritt. Die Energiequelle legt eine elektrische Spannung zwischen das Ende der Elektrode 13 und das Werkstück 12, so daß ein Schweißstrom in der Schaltung fließt, wenn die Elektrode 13 das Werkstück 12 berührt. Die Energiequelle ist vorzugsweise so angeschlossen, daß die Elektrode positive Polarität und das Werkstück negative Polarität hat, obwohl die Erfindung nicht auf diese Art der Polarität beschränkt ist. Die Anforderungen an die Energiequelle bezüglich der Spannung hängen von dem verwendeten Schutzgas und von dem Werkstoff der Elektrode und des Werkstücks ab.
  • Zum zufriedenstellenden Arbeiten entsprechend der Erfindung muß die statische Spannung, die an die Lichtbogenstrecke durch die Schweißstromquelle gelegt wird, geringer sein als die Spannung, die erforderhch ist, um den Lichtbogen im Gleichgewichtszustand aufrechtzuerhalten. Als Gleichgewichtszustand für den Lichtbogen kann der Zustand definiert werden, unter dem ein Lichtbogen für eine unbestimmte Zeitdauer aufrechterhalten werden kann, d. h., die Abbrenngeschwindigkeit des Drahtes ist in diesem Falle gleich der Geschwindigkeit, mit der sich Elektrode und Schmelzbad einander nähern. Wenn z. B. mit einem Stahldraht mit 0,9 mm Durchmesser und einem stählernen Werkstück unter der Verwendung einer Schutzgasatmosphäre von Kohlendioxyd ge- schweißt wird bei einer Zuführgeschwindigkeit des Drahtes in der Größenordnung von 5 in je Minute, ist die minimal erforderliche Lichtbogenspannung größenordnungsmäßig 27 Volt. Um daher die vorliegende Erfindung durchführen zu können, muß die statische Spannung, die durch die Stromquelle zwischen Elektrode und Werkstück gelegt wird, nur etwa 17 bis 26 Volt betragen, d. h. 1 bis 10 Volt unterhalb der Mindestspannung, die den Lichtbogen aufrechterhält.
  • Die Schweißschaltung muß zusätzlich einen bestimmten Betrag an Induktivität enthalten, der aus der inneren Induktivität der Stromquelle als verteilte Induktivität der Wicklungen usw. und/oder als eine zusätzlich eingebaute Drossel oder als eine äußere Drossel, die in die Schaltung in Reihe mit der Stromquelle eingefügt ist, bestehen kann. Die innere Induktivität der Schweißzuleitungen wird hier als zu- sätzliche äußere Induktivität betrachtet.
  • Wenn der fortlaufend nachgeführte Elektrodendraht 13 das Werkstück 12 berührt, stößt der sich dadurch ergebende hohe Stromstoß das Schmelzbad von der Elektrode fort, so daß ein Lichtbogen gebildet wird, der nur für eine begrenzte Zeitdauer infolge der niedrigen statischen Spannungskennlinie des Generators aufrechterhalten werden kann. Wenn die Elektrode 13 wieder mit dem Werkstück in Berührung kommt, entweder infolge des Fortschreitens der Elektrode zum Schmelzbad hin oder infolge eines Zurückdringens des schwingenden Schmelzbades gegen die Elektrode oder infolge beider Ursachen, werden erneute Kurzschlußbedingungen geschaffen, und das S-Piel wiederholt sich. - Während es schwierig ist, die genauen physikalischen Vorgänge des Metalltransportes von der Elektrode zum Werkstück festzustellen, ist es möglich, mit Hilfe von Zeitdehneraufnahmen gewisse Ansichten des Arbeitsvorganges zu erkennen. Die Fig. 2 bis 6 sind Zeichnungen,denenTeilbilderausZeitdehneraufnahmen zugrunde liegen; sie zeigen die Beziehung zwischen Elektrode und Schmelzbad zu verschiedenen Zeiten während eines vollständigen Arbeitsspiels. Die Zeitdehneraufnahmen für diese Zeichnungen wurden mit einer Geschwindigkeit von annähernd 4000Aufnahmen je Sekunde bei einer Wiedergabe mit der üblichen Geschwindigkeit von 16 Aufnahmen je Sekunde für eine Prüfung und ein Studium der Teilaufnahmen gemacht.
  • Aus diesen Figuren ist ersichtlich, daß auf die mechanische Berührung von Elektrode und Werkstück, die bisher als Kurzschluß bezeichnet wurde, ein Trennen des Schmelzbades und der Elektrode und die Bildung einer Lichtbogenstrecke und Zündung eines Lichtbogens folgt. Die Energiequelle kann diesen Lichtbogen nicht im Gleichgewicht aufrechterhalten, weil ihre statische Ausgangsspannung zu gering ist. Infolgedessen fällt der Strom unter den Wert ab, der erforderlich ist, um die Elektrode mit der Geschwindigkeit abzuschmelzen, mit der sich Elektrode und Schmelzbad einander nähern. Daher verkürzt sich der Lichtbogen, bis das Schnielzbad und die Elektrode sich wieder berühren und der Zyklus neu beginnt.
  • Solche Wiederholungen sind nur möglich, wenn der Stromstoß während der Periode des Kurzschlusses ausreicht, um die nötige elektrische Kraft zu erzeugen, die das geschmolzene Metall des Schmelzbades von dem festen Draht fortstößt und so eine Lichtbogenstrecke bildet. Die gleiche Kraft ist verantwortlich für die Bildung der Vertiefung unmittelbar unter dem Lichtbogen, die bei dem Lichtbogen-Schweißverfahren mit einem Edelgas als Schutzgas sichtbar ist, wie es in der USA.-Patentschrift 2 504 868 beschrieben wird.
  • Es wird angenommen, daß dieses sich wiederholende Spiel zwischen Lichtbogen und Kurzschluß nicht nur von dem Fortschreiten der Elektrode abhängt. Es wurde nämlich beobachtet, daß das Schmelzbad durch den Kurzschlußstromstoß von der Elektrode nach unten weggedrückt wird und daß mit dem Abfallen des Stromes nach der Bildung des Lichtbogens diese Vertiefung sich aufzufüllen beginnt, so daß das Schmelzbad in eine schwingende Bewegung gerät. Infolge dieser Schwingungen drängt das Schmelzbad zurück, richtet sich auf und berührt die Elektrode, so daß wieder ein Kurzschlußzustand geschaffen wird.
  • Während der Lichtbogenzeit zwischen den Kurzschlüssen wird das Ende der Elektrode durch den Lichtbogen erhitzt und eine gewisse Menge geschmolzenen Metalls an dem Elektrodenende gebildet. Wenn die Wiederholungsgeschwindigkeit der Kurzschlüsse hoch ist, tritt keine sichtbare Anhäufung von geschmolzenem Metall auf. Wenn die Wiederholungsgeschwindigkeit jedoch verhältnismäßig niedrig ist, kann mit Hilfe der Zeitdehneraufnahmen die Bildung einer kleinen Menge geschmolzenen Metalls an dem Elektronenende beobachtet werden. Die Bewegung dieses geschmolzenen Metalls an der Elektrode kann ebenfalls dazu beitragen, die Lichtbogenstrecke zu verkürzen, wenn der Strom abfällt. In jedem Fall wird das geschmolzene Metall an der Elektrode jeweils »abgewischt#, wenn die Elektrode und das Schmelzbad einander berühren. Das Schmelzbad schwingt infolge der unterbrochenen Einwirkung einer Kraft, die sich durch den unterschiedlichen Stromfluß während der Kurzschlußperiode und der Lichtbogenperiode ergibt. Die Größe der Vertiefung, die durch die Kräfte des Stromflusses gebildet wird, ist etwa dem Quadrat des Stromes proportional. Wie auf anderem Wege festgestellt wurde, ist die gesainte Kraft, die auf das geschmolzene Metall einwirkt, proportional dem Quadrat des Augenblickswertes des Stromes. Wegen der Stromstärkeänderungen des Schweißstromkreises ist aber die Kraft, die auf das Bad einwirkt, während der Zeit, in der das geschmolzene Metall von der Elektrode zurückweicht, größer als während der Zeit, in der das geschmolzene Metall an die Elektrode herantritt. Auf diese Weise wird der Schwingung Energie zugeführt, um sie in Bewegung gegenüber Dämpfungskräften zu halten. Obwohl es für die Erfindung nicht für wesentlich gehalten wird, ein schwingendes Schmelzbad zu erzeugen, so tritt dieses doch in den meisten Fällen in Erscheinung. Es können auch verschiedene Arten von Schwingungen erregt werden und treten in der Tat auch ein. Die besondere Form, die erregt wird, hängt weitgehend von der Gesamtinduktivität der Schaltung ab, eine höhere Gesamtinduktivität erregt einen Schwingungsstrom niedriger Frequenz, eine niedrige Gesamtinduktivität dagegen einen Schwingungsstrom hoher Frequenz. Die Resonanzfrequenzen hängen auch von den Ausmaßen des flüssigen Bades ab. Diese Ausmaße werden ihrerseits von der Größe des Schweißstromes, der Art des Schutzgases, dem Verhältnis von Kurzschlußzeit zu Lichtbogenzeit und den Eigenschaften des geschweißten Werkstoffes beeinflußt. Das Auftreten dieser zyklischen Schwingungen des Bades wird offensichtlich durch die Tatsache begründet, daß die beobachtete Spieldauer der Kurzschlüsse bei vielen Untersuchungen, die mit der Erfindung durchgeführt wurden, höher war, als sie allein auf Grund der Zuführgeschwindigkeit der Elektrode gegen das Schmelzbad möglich wäre. Mit aller Wahrscheinlichkeit ist das Wiederkehren der Kurzschlüsse eine gemeinsame Wirkung des Anwachsens des Schmelzbades und damit seines Auftreffens auf die Elektrode und des Fortschreitens des Elektrodenendes gegen das Schmelzbad.
  • Es gibt zwei grundsätzliche Arbeitsweisen nach der Erfindung. Die erste kann als die Arbeitsweise mit nicht unterbrochenem Strom und die andere als die Arbeitsweise mit unterbrochenem Strom bezeichnet werden. In der Arbeitsweise mit nicht unterbrochenem Strom folgt dem Kurzschluß ein Lichtbogen, der so lange andauert, bis der Kurzschluß wieder eintritt. In der Arbeitsweise mit unterbrochenem Strom folgt dagegen dem Kurzschluß ein Lichtbogen, der nur so lange andauert, bis der Lichtbogen mangels genügender Spannung verlöscht. Es herrschen dann die Verhältnisse eines offenen Stromkreises, bis der Kurzschluß wieder neu gebildet wird. Welche dieser beiden Arbeitsweisen eintritt, hängt weitgehend von den Konstanten der Schaltung ab.
  • Die Fig. 7 und 8 stellen die Veränderungen im Strom und in der Spannung nach der Arbeitsweise mit nicht unterbrochenem Strom dar. In diesen Figuren bedeutet t, den Zeitpunkt, in dem die Elektrode beginnt, das Schmelzbad zu berühren. Der Strom beginnt sofort (Kurve A in Fig. 7) mit der Geschwindigkeit anzuwachsen, die durch die Kennlinien der Energiequelle und die Konstanten des Schweißstromkreises bestimmt wird. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes während des Kurzschlusses hat im wesentlichen exponentiellen Charakter und folgt allgemein einer Kurve, die durch die Gleichung darsgetellt wird. E, stellt die statische Spannung dar, die von der Energiequelle geliefert wird, R bedeutet den gesamten Widerstand der Schaltung, s ist die Basis 2,718 des natürlichen Logarithmus, t ist die Zeit in Sekunden, gemessen von dem Zeitpunkt t. oder dem entsprechenden Zeitpunkt für irgendeinen gegebenen Zyklus, L ist die Gesamtinduktivität der Schaltung und I ist der Strom zum Zeitpunkt, in dem der Kurzschluß stattfindet. Während dieser Zeit wird der Strom nach Kurve A von Fig. 7 aufgebaut.
  • Die Spannung zwischen dem Berührungspunkt der Elektrode und dem Werkstück (Kurve C in Fig. 8) wächst in erster Linie wegen des sich vergrößernden Ohmschen Spannungsabfalles im Endteil der Elektrode während des Stromanstieges an. Dieser Spannungsanstieg wird im wesentlichen durch die Gleichung dargestellt, wo RT den Widerstand des Endteiles der Elektrode darstellt, der ein Teil des gesamten Widerstandes R der Schaltung ist. Beim Erreichen des Zeitpunktes tj. verursachen die Kräfte, die auf das Schmelzbad einwirken, infolge des Spitzenstromes, der sich aus dem Anstieg nach Kurve A ergibt, die Trennung der Elektrode von dem Schmelzbad und das Zünden eines Lichtbogens dazwischen. Dieser Wechsel wird durch die Fig. 2 und 3 geschildert. Während dieser Zeit, von t,) bis t,., steigt die Spannung rasch auf den Spitzenwert an, der bei t, in Fig. 8 gezeigt wird. Der Lichtbogen, der sich infolge der Trennung des Drahtes von dem Schmelzbad gebildet hat, fährt fort zu brennen und wird durch die Spannung aufrechterhalten, die sich aus der Überlagerung der induzierten Spannung, die von der Induktivität der Schaltung abhängt, über die statische Spannung der Energiequelle ergibt. Kurve B von Fig. 7 erläutert den im wesentlichen exponentiellen Charakter, mit dem der Strom von dem Spitzenwert beim Kurzschluß während der Dauer des Lichtbogens abfällt. Diese Kurve wird annäherungsweise durch die folgende Gleichung dargestellt: E, ist die Mindestspannung, die verlangt wird, um den Lichtbogen im Gleichgewicht zu halten, If ist der Spitzenwert des Kurzschlußstromes, und k ist ein Faktor, der die Lichtbogenimpedanz darstellt. E.+k-I ist eine theoretische Annäherung der Lichtbogenspannung als Funktion des Stromes. Gleichzeitig mit dem Stromabfall nach Kurve B vom Zeitpunkt t, zum Zeitpunkt t. nimmt die Spannung nach Kurve D von Fig. 8 ab nach einer Funktion, die, wie man bestimmt hat, angenähert durch folgende Gleichung dargestellt wird: Wenn der Strom (Kurve B von Fig. 7) abnimmt, füllt sich die Vertiefung im Schmelzbad, die durch den Stromfluß hervorgerufen wird, auf (Fig. 4 und 5). Gleichzeitig nähert sich die kontinuierlich zugeführte Elektrode dem Schmelzbad, bis der Kurzschluß wieder im Zeitpunkt t#, anfängt und der Zyklus neu beginnt.
  • Die andere Arbeitsweise, die als Arbeitsweise mit unterbrochenem Strom bezeichnet wurde, ist ähnlich der eben beschriebenen, mit der Ausnahme, daß die verfügbare Spannung schon unter den Mindestwert zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens fällt, ehe der Kurzschluß wieder eintritt. Es gibt deshalb eine Periode mit offener Schaltung (Strom gleich Null), die dem Lichtbogenzustand vor dem Wiederkehren des Kurzschlusses folgt. Dieser Zustand des offenen Stromkreises wird in den Fig. 9 und 10, beginnend mit dem Zeitpunkt t, und fortdauernd bis zum Zeitpunkt t3, dargestellt. Die Spannungsspitze zum Zeitpunkt t2 ist das Ergebnis der plötzlichen Unterbrechung des Stromes, wenn der Lichtbogen nicht mehr länger aufrechterhalten werden kann. Bei erloschenem Lichtbogen ist die Spannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück gleich der Leerlaufspannung der Energiequelle und wird durch die horizontale Linie vom Zeitpunkt t2 zum Zeitpunkt t, in Fig. 10 dargestellt. Bei der Arbeitsweise mit unterbrochenem Strom beginnt der Strom, der während des Kurzschlusses aufgebaut wird, von Null (Kurve A in Fig. 9) und verändert sich im wesentlichen nach der Gleichung: Der Stromabfall vom Zeitpunkt t, zum Zeitpunkt t, folgt im wesentlichen der Gleichung: Die Gleichung für den Spannungsanstieg von t, bis t, (Kurve C in Fig. 10) wird angenähert durch und der Abfall (Kurve D in Fig. 10): Wenn die Spannung E zwischen Elektrode und Werkstück unter den Wert EO fällt, verlöscht der Lichtbogen: E = E, und I = 0. Dieser Zustand herrscht, bis die Elektrode und das Schmelzbad einander wieder berühren und der Zyklus im Zeitpunkt t3 wieder neu beginnt. In der nachfolgenden Tabelle sind verschiedene Beispiele von Schweißvorrichtungen angeführt, die gemäß der Erfindung arbeiten.
  • Der Grundwerkstoff besteht dabei aus Stahl mittleren Kohlenstoffgehaltes, ebenso der Elektrodenwerkstoff.
    Aus einer Prüfung der angegebenen Daten kann leicht bestimmt werden, daß jede der drei Energiequellen, die in den Beispielen 2 bis 7 benutzt sind, entsprechend der Erfindung mit in ziemlich weiten Grenzen veränderlichen Werten der gesamten Schaltungsinduktivität verwendet werden kann. Der gleiche Schweißgenerator wurde z. B. für Beispiel 2 und für Beispiel 3 benutzt. In Beispiel 2 waren 20 #tH Induktivität zusätzlich in die Schaltung eingefügt. Das ist die Größe der Induktivität der Schweißzuleitungen, die im allgemeinen nicht zu vermeiden ist. In Beispiel 3 wurde eine Gesamtinduktivität von 170 p.H in die Schaltung eingefügt. Wenn ein größerer Betrag von Induktivität zugefügt wird, muß die Generatorspannung etwas höher, wie dargestellt, gewählt werden. Wie durch die höhere Induktivität erwartet werden kann, ergibt die Arbeitsweise mit höherer Spannung eine geringere Wiederholungsfrequenz der Kurzschlüsse. Gewisse charakteristische Unterschiede wurden zwischen der Arbeitsweise bei höherer Induktivität und geringerer Frequenz der Kurzschlüsse (im folgenden als Arbeitsweise 1 bezeichnet) und der Arbeitsweise mit niedriger Induktivität und höherer Frequenz der Kurzschlüsse (im folgenden als Arbeitsweise 2 bezeichnet) beobachtet.
  • Arbeitsweise 1 kann als »weicher« Lichtbogen beschrieben werden, bei der der Bedienungsmann kein Anpressen der Elektrode gegen das Werkstück spürt. Diese Arbeitsweise ist durch ein »knisterndes« Geräusch begleitet. Wenn mit einer Stahlelektrode mit mittlerem Kohlenstoffgehalt in einer Kohlendioxydatmosphäre geschweißt wird, erfolgt die Arbeitsweise 1, wenn die gesamte Schaltungsinduktivität im Bereich von 200 bis 1000 #t1-1 und die Schweißspannung in dem Bereich von 24 bis 27 V liegt. Die Wiederholungsgeschwindigkeit der Kurzschlüsse ist allgemein in der Größenordnung von 40 bis 90 Kurzschlüssen je Sekunde.
  • Arbeitsweise 2 kann als ein »harter« Lichtbogen bezeichnet werden, bei der der Bedienungsmann spüren kann, daß die Elektrode gegen das Werkstück stößt. Diese Art des Lichtbogens ist durch ein »summendes« Geräusch begleitet, das deutlich von dem Knistern des Lichtbogens nach Arbeitsweise 1 verschieden ist. Wenn mit einer Stahlelektrode mit mittlerem Kohlenstoffgehalt in einer Kohlendioxyd-Atmosphäre geschweißt wird, tritt die Arbeitsweise 2 ein, wenn die gesamte Schaltungsinduktivität in dem Bereich von 40 bis 250 #tH und die Schweißspannung im Bereich von 17 bis 24 V liegt. Die Wiederholungsgeschwindigkeit der Kurzschlüsse ist in der Größenordnung von 100 bis 250 Kurzschlüssen je Sekunde. Von den beiden Arbeitsweisen erscheint die Arbeitsweise 2 als am meisten wünschenswert. Man hat einen sehr weiten Bereich von Zuführgeschwindigkeiten für den Draht zur Verfügung, der bei den in der Arbeitsweise 2 gegebenen Umständen benutzt werden kann. Die Zuführgeschwindigkeit des Drahtes kann sich z. B. von 1,5 bis 10 m/min ändern, wenn eine Stahlelektrode von 0,9 mm Durchmesser unter Kohlendioxyd benutzt wird. Wenige oder keine Fachkenntnisse des Bedienungsmannes werden bei der Arbeitsweise 2 verlangt. Sogar ein unerfahrener Bedienungsmann kann Senkrechtschweißungen mit guter Qualität beim ersten Versuch machen. Das scheint ohne Beispiel in der Schweißtechnik zu sein.
  • Die freie Länge zwischen dem Berührungspunkt zwischen der Elektrode und dem elektrischen Kontakt und dem Ende des Lichtbogens an der Elektrode ist wichtig für die Durchführung des Verfahrens und die Qualität des Schweißerzeugnisses. Wenn diese Entfernung groß ist, ist die Vorwärmung durch den Widerstand der Elektrode groß, und ein verhältnismäßig niedriger Kurzschlußstromstoß schleudert schon zuvor erhitztes Metall. Es ist z. B. eine zusätzliche Drosselspule von 65 p.H erforderlich, wenn ein Elektrodenhalter benutzt wird, bei dem das Ende der Kontaktröhre im Inneren der Schutzgasdüse eingesetzt ist. Die bevorzugte Arbeitsbedingung ergibt sich, wenn das Ende der Kontaktröhre aus dem Ende der Schutzgasdüse um 3 bis 6 mm herausragt und die Elektrode nicht mehr als um ihren fünfzehnfachen Durchmesser hervorragt. Ein Herausragen der Elektrode von 3 bis 13 mm wurde in den meisten Fällen für ausreichend gefunden. Aus diesem Grunde kann die Erfindung nur mit jenem Typ von Elektrode und Apparatur durchgeführt werden, in der der Schweißstrom in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens in die Elektrode eingeführt wird. Bei Metallen mit größerer elektrischer Leitfähigkeit können längere herausragende Enden der Elektrode natürlich zugelassen werden. Die Erfindung ist nicht an irgendein besonderes Metall oder irgendeine besondere Umgebung des Lichtbogens gebunden. Die statischen Kennlinien der Energiequelle sind nicht von ausschlaggebender Bedeutung für die Erfindung. Es wird vorzugsweise die sogenannte ansteigende Kennlinie oder eine mit konstanter Spannung benutzt. Letztere schließt jene Energiequellen ein, die leicht fallende Spannungs-Strom-Kennlinien haben. Der gewöhnliche Generator mit stark fallender Kennlinie oder der Konstantstrom-Generator ist im allgemeinen wegen seiner hohen Leerlaufspannung und seines hohen inneren Streublindwiderstandes unbefriedigend.
  • Die Erfindung ist mit beiden Polungen ausführbar. Es ist nicht so leicht, Spritzer bei negativer Elektrode zu vermeiden, doch hat diese Polung gewisse Vorteile, wenn hohe Ablagerungsgeschwindigkeiten und niedrige Eindringtiefen gefordert werden. Eine positive Elektrode wird jedoch im allgemeinen bevorzugt.
  • Durch diese Erfindung wurde es möglich, mit niedrigen Strömen und in jeder Schutzgasatmosphäre mit wenigen oder keinen Spritzern und mit geringster Überhitzung des Schweißmetalls zu schweißen. Die Erfindung ist nicht auf die besondere Ausführung beschränkt, die hier beschrieben ist.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Vorrichtung zur Schutzgas-Lichtbogenschweißung, insbesondere mit Kohlendioxyd, mit kontinuierlich vorgeschobener abschmelzender Drahtelektrode und einem induktiven Widerstand in Reihe mit dem Lichtbogen im Schweißstromkreis, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: a) Die Arbeitsspannung der Schweißstromquelle liegt unterhalb derjenigen Spannung, die zur Erhaltung eines stetig brennenden Lichtbogens zwischen Elektrode und Werkstück erforderlich ist, so daß beim Schweißen zwar kein stabiler Lichtbogen, wohl aber eine stetige Folge von Kurzschlüssen entsteht; b) die Gesamtinduktivität des Schweißstromkreises ist so gewählt, daß die beim Zusammenbruch des elektrischen Feldes in dem Schweißstromkreis induzierte Spannung zusammen mit der Arbeitsspannung der Schweißstromquelle ausreicht, um nach jedem Kurzschlußstromstoß für eine begrenzte Zeit einen Lichtbogen aufrechtzuerhalten, wobei die Dauer des Lichtbogens - und damit die dem Elektrodenende zugeführte Energie - so bemessen ist, daß kein Werkstoff frei im Lichtbogen übergeht, sondern der Werkstoffübergang auf den Augenblick der Berührung zwischen Elektrode und Schmelzbad beschränkt ist; c) die Gesamtinduktivität des Schweißstromkreises ist weiter so gewählt, daß der Kurzschlußstrom so begrenzt ist, daß beim Kontakt zwischen Elektrode und Werkstück kein übermäßiges Spritzen auftritt.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Schweißstromquelle gelieferte Schweißspannung 1 bis 10 Volt unterhalb der Lichtbogenspannung liegt, die zur Aufrechterhaltung eines konstant brennenden Lichtbogens unter den jeweils gegebenen Umständen erforderlich ist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß 40- bis 250mal pro Sekunde die flüssige Spitze der Elektrode mit der Schmelzbadoberfläche in Berührung kommt. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte induktive Widerstand des Schweißstromkreises in an sich bekannter Weise zwischen 40 und 1000 #t11 beträgt. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Drahtelektrode mit 0,9 bis 1,5 mm Durchmesser und bei einer Vorschubgeschwindigkeitvon 1,5 bis 10 m/min die von der Schweißstromquelle abgegebene Spannung 17 bis 26 Volt beträgt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 1029 962; USA.-Patentschriften Nr. 1869 350, 1746 081, 2 445 177; Dag Du Rietz-Helmut Koch: Praktisches Handbuch der Lichtbogenschweißung, Braunschweig, 1939, S. 35 bis 37; Industrie-Anzeiger (Essen), 1957, S. 14 bis 17; Elektrotechnische Zeitschrift, 1957, Ausgabe B, S. 236, 237; Technische Rundschau (Bern), 1958 Nr. 52, S. 9, 10; Elektroschweißung, 1940, S. 109 bis 114.
DEA31727A 1958-04-02 1959-04-01 Vorrichtung zur Schutzgas-Lichtbogenschweissung, insbesondere mit Kohlendioxyd, mit kontinuierlich vorgeschobener abschmelzender Drahtelektrode und einem Schweissstromkreis mit induktivem Widerstand Pending DE1145729B (de)

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