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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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sätzliche äußere Induktivität betrachtet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.