DE1178535B

DE1178535B - Rotating direct current arc welding converter

Info

Publication number: DE1178535B
Application number: DEK49208A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hans Koerdt; Guenter Hesse
Original assignee: Kjellberg Elektroden and Maschinen GmbH
Current assignee: Kjellberg Elektroden and Maschinen GmbH Finsterwalde
Priority date: 1963-03-15
Filing date: 1963-03-15
Publication date: 1964-09-24

Description

Rotierender Gleichstrom-Lichtbogenschweißumformer Die Erfindung betrifft einen rotierenden Gleichstrom-Lichtbogenschweißumformer mit einstellbaren steilen oder fast horizontalen Belastungskennlinien, der als Universalstromquelle geeignet ist und dessen Schweißeigenschaften speziell auf verschiedene Schweißverfahren, wie z. B. die Elektrodenhandschweißung, die Wolfram-Inertgas-Schweißung (WIG), die Metall-Inertgas-Schweißung (MIG), die Unterpulver-Schweißung (UP) und die Schweißung unter Kohlendioxyd (C02 Schweißung) oder Mischgasen abgestimmt sind.Rotary DC Arc Welding Converter This invention relates to a rotating direct current arc welding converter with adjustable steep or almost horizontal load characteristics, which is suitable as a universal power source and its welding properties are specifically tailored to different welding processes, such as B. the electrode hand welding, the tungsten inert gas welding (TIG), the Metal inert gas welding (MIG), submerged arc welding (SAW) and welding under carbon dioxide (C02 welding) or mixed gases.

Diese Universalstromquelle kann weiterhin mit Zusatzgeräten speziell für die Schutzgasschweißung ausgerüstet werden, und eine Vorrichtung gestattet die Kompensierung des Spannungsverlustes über die angeschlossenen Schweißleitungen.This universal power source can continue to be specially designed with additional devices be equipped for inert gas welding, and a device allows the Compensation of the voltage loss via the connected welding cables.

Es sind bereits Schweißumformer und Elektrolichtbogenschweißanlagen bekannt, bei denen Veränderungen der Belastungskennlinien unter Verwendung der verschiedensten Steuer- und Regeleinrichtungen erreicht werden können. Eingehende Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß auf Grund der unterschiedlichen Werkstoffübertragung in der Bogenstrecke und des gesamten Abschmelzverhaltens unterschiedliche statische Belastungskennlinien, die der Lichtbogenstrecke angepaßt sind, nicht zu guten Schweißeigenschaften und zu einem stabilen Lichtbogen zu führen brauchen. Charakteristisch für die verschiedenen Lichtbogenschweißverfahren ist, daß sie auf Grund ihrer unterschiedlichen Ausführung der Lichtbogenstabilisierung und der Schutzhülle, die gegen Einflüsse der atmosphärischen Luft schützt, unterschiedliche Anforderungen an das dynamische und statische Verhalten des elektrischen Anschlußkreises - an die Schweißstromquelle - stellen. Für die Elektrodenhandschweißung und die WIG-Schweißung ergibt sich die Forderung, daß bei den unvermeidlichen Änderungen der Lichtbogenlänge durch die Handhabung des Schweißers nur geringe Schwankungen des Schweißstromes auftreten sollen. Hierbei sind auf Grund der Lichtbogenkennlinie der obengenannten Schweißverfahren Schweißstromquellen mit steil fallenden Belastungskennlinien U = f (I) (F i g. 1) besonders geeignet.Welding converters and electric arc welding systems are already known in which changes in the load characteristics can be achieved using a wide variety of control and regulating devices. However, detailed investigations have shown that due to the different material transfer in the arc section and the overall melting behavior, different static load characteristics, which are adapted to the arc section, do not have to lead to good welding properties and a stable arc. It is characteristic of the various arc welding processes that, due to their different design of the arc stabilization and the protective cover that protects against the effects of the atmospheric air, they place different demands on the dynamic and static behavior of the electrical connection circuit - on the welding power source. For manual electrode welding and TIG welding, there is a requirement that only slight fluctuations in the welding current should occur with the unavoidable changes in the arc length caused by the handling of the welder. Due to the arc characteristic of the welding processes mentioned above, welding power sources with steeply falling load characteristics U = f (I) (FIG. 1) are particularly suitable.

Diese Forderung nach geringen Stromschwankungen erhöht sich beim Übergang auf kleinere Schweißstromstärken und beim Übergang zu schwierigeren Schweißpositionen. Eine hohe Leerlaufspannung und ein kleiner Kurzschlußstrom wirken sich günstig auf die Zündung und Aufrechterhaltung des Lichtbogens aus. Weiterhin müssen diese Schweißstromquellen über besondere dynamische Eigenschaften verfügen, die eine möglichst schnelle Wiederzündung des Lichtbogens nach einem Tropfenkurzschluß in der Bogenstrecke ermöglichen. Dies gilt besonders beim Verschweißen von Elektroden mit kalkbasischer Umhüllung (nachfolgend Kb genannt).This requirement for low current fluctuations increases with the transition to lower welding currents and when transitioning to more difficult welding positions. A high open circuit voltage and a small short circuit current have a beneficial effect the ignition and maintenance of the arc off. Furthermore, these welding power sources must have special dynamic properties that allow re-ignition as quickly as possible of the arc after a drop short circuit in the arc section. this applies particularly when welding electrodes with a lime-based coating (hereinafter Called Kb).

Für Hochleistungsschweißverfahren, wie z. B. der UP-, der MIG- und der C02 Schweißung, sind dagegen Stromquellen mit fast horizontalen Belastungskennlinien im Bereich der Schweißwerte vorteilhaft. Bei diesen mechanisierten Schweißverfahren werden dementsprechend die Schweißdrähte mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit dem Lichtbogen zugeführt. So wird keine Folgeregelung der momentanen Abschmelzmenge nach der Lichtbogenspannung als Führungsgröße (AU-Regelung) angewendet, sondern eine Stromdifferenzregelung (AI-Regelung) unmittelbar durch die Schweißstromquelle ausgeführt. Hierzu und für die Erzeugung eines stabil brennenden Lichtbogens ist die Abstimmung des dynamischen und statischen Verhaltens der Schweißstromquelle auf die Art der Werkstoffübertragung der jeweiligen Schweißverfahren erforderlich. Es kann zwischen einer Werkstoffübertragung unter Kurzsc$lußbildung und einer kurzschlußfreien unterschieden werden. Die Werkstoffübertragung unter Kurzschlußbildung ist gekennzeichnet durch ständiges Ändern der Momentanwerte des Schweißstromes und der Schweißspannung. Diese Art stellt besonders hohe Anforderungen an das dynamische Verhalten der Schweißstromquelle und tritt vornehmlich bei der C02-Schweißung mit dünneren Schweißdrähten (< 2 mm Durchmesser) und Schweißströmen bis 350A auf. Von diesen Stromquellen wird ein hartes dynamisches Verhalten verlangt. Ein Maß hierfür ist die Stromanstiegsgeschwindigkeit des Schweißstromes während der Überbrückung der Bogenstrecke durch den schmelzflüssigen Werkstoff. Es sind Schweißumformer bekannt, bei denen eine veränderte Stromspannungscharakteristik erreicht wird, indem zwei miteinander und mit einem Motor gekuppelte Schweißgeneratoren verwendet werden, wobei eine Vorrichtungzum Parallelschalten derGeneratoren vorhanden ist, die in der Parallelschaltung die Generatoren auf erhöhte Erregung schaltet. Weiterhin können dazu die Generatoren Zusatzerregerwicklungen haben, die bei der Parallelschaltung hinzugeschaltet werden, und dazu einen Sterndreieckschalter zusätzlich mit sperrbarer Dreieckschaltung für das Parallelschalten der Generatoren und das Hinzuschalten der Zusatzerregung.For high-performance welding processes, such as B. the UP, the MIG and the C02 welding, on the other hand, are power sources with almost horizontal load characteristics advantageous in terms of welding values. With these mechanized welding processes accordingly, the welding wires are at a constant feed rate fed to the arc. So there is no follow-up regulation of the current amount of melt according to the arc voltage as a reference variable (AU control), but rather a current difference control (AI control) directly through the welding power source executed. For this and for the generation of a stable burning arc the coordination of the dynamic and static behavior of the welding power source on the type of material transfer required by the respective welding process. There is a choice between a material transfer with short-circuit formation and a short-circuit-free one can be distinguished. The transfer of material with short-circuit formation is marked by constantly changing the instantaneous values of the welding current and the welding voltage. This type places particularly high demands on the dynamic behavior of the welding power source and occurs mainly in C02 welding with thinner welding wires (<2 mm diameter) and welding currents up to 350A. One of these power sources will be hard dynamic behavior required. One measure of this is the rate of current rise of the welding current during the bridging of the arc section by the molten Material. There are welding converters known in which a modified Voltage characteristic is achieved by putting two with each other and with one Motor-coupled welding generators can be used, with a device for There is a parallel connection of the generators, which in the parallel connection Generators switched to increased excitation. The generators can also do this Have additional excitation windings that are switched on in the parallel connection, and an additional star-delta switch with a lockable delta connection for the parallel connection of the generators and the connection of the additional excitation.

Bei besonderem Betrieb werden auch Gleichstromgeneratoren als Konstantspannungsgenerator und als Generator mit stark fallender Spannungskennlinie bei zunehmender Belastung verwendet. Diese Generatoren sind dadurch gekennzeichnet, daß durch Umschaltung von selbsterregten Nebenschlußwicklungen und unterstützenden Compoundwicklungen eine Änderung der BeIastungskennlinien erreicht wird. Es sind weiterhin Universalschweißumformer bekannt für die Verschweißung von blanken und bemantelten Elektroden für Ein- und Mehrstellenschweißbetrieb und für die Tiefbrandschweißung, die aus einem Schweißgenerator, einer Mittelfrequenzmaschine der Wechselpoltype und als Antriebsmotor aus einem polumschaltbaren Asynchronmotor bestehen. Die Drehzahl des Asynchronmotors ist in so vielen Stufen nach aufwärts einstellbar, als es die Stufen der Parallelschaltung der Arbeitswicklung im Ständer der Mittelfrequenzmaschine ermöglichen. Hierdurch wird eine weitgehende Anpassung des Leistungsvermögens dieses Schweißumformers an den Verwendungszweck erreicht und ein wirtschaftlicher Betrieb ermöglicht.With special operation, direct current generators are also used as constant voltage generators and as a generator with sharply decreasing voltage characteristics with increasing load used. These generators are characterized by switching of self-excited shunt windings and supporting compound windings a change in the load characteristics is achieved. They are still universal welding converters known for the welding of bare and sheathed electrodes for one and Multi-point welding operation and for deep-fire welding, which consist of a welding generator, a medium frequency machine of the alternating pole type and as a drive motor from one pole-changing asynchronous motor exist. The speed of the asynchronous motor is in as many steps upwards as there are steps in the parallel connection enable the working winding in the stator of the medium-frequency machine. Through this will be an extensive adjustment of the performance of this welding converter achieves the intended use and enables economical operation.

Es sind auch speziell Schweißumformer bekannt, deren Belastungskennlinien einstellbar sind, wodurch eine universelle Anwendbarkeit erreicht werden soll. Bei diesen Schweißumformern ist die Leiterzahl der Ankerwicklung bei höchster magnetischer Sättigung des gesamten Eisenkreises für die höchste zu erzeugende Leerlaufspannung ausgelegt. Durch Verminderung der Luftspaltinduktion durch Variierung der Durchflutung der fremderregten Feldwicklung (Feldschwächung) oder durch vom Schweißstrom durchflossene Wicklungen (Compoundierung) kann eine Einstellung der Belastungskennlinien vorgenommen werden. Dieses bekannte Verfahren hat verschiedene nicht unerhebliche Nachteile. Um besonders Universalschweißumformer auch für die Schutzgasschweißung unter Kohlendioxyd einsetzen zu können, müssen sie bei fast horizontalen Belastungskennlinien im Leerlaufspannungsbereich von 14 bis 45 V und ein speziell abgestimmtes dynamisches Verhalten ; besitzen. Hierzu ist eine kleine den Stromanstieg bestimmende Zeitkonstante des Schweißgenerators erforderlich. Die Zeitkonstante rg ergibt sich als Gesamtzeitkonstante des Ankerkreises und des induktiv gekoppelten magnetischen Kreises der Feldwicklungen. Bekanntlich wird die Zeitkonstante wesentlich durch die Windungszahl der Ankerwicklung beeinflußt. Die Schweißumformer, deren Ankerwicklungen für die höchste Leerlaufspannung (F i g. 1) von 90 V ausgelegt sind und bei denen die Absenkung der Leerlaufspannung auf 45 V (F i g. 2) erfolgt, haben für das letztere Anwendungsgebiet eine zu hohe Windungszahl im Anker. Hierdurch ergibt sich eine zu große Zeitkonstante und eine schlechte Ausnutzung des aktiven Materials dieser Maschine. Dies gilt besonders für Schweißumformer mit Betriebsdrehzahlen um 1500 U/min.There are also special welding converters known, their load characteristics are adjustable, whereby a universal applicability is to be achieved. at In these welding converters, the number of conductors in the armature winding is at the highest magnetic Saturation of the entire iron circuit for the highest open circuit voltage to be generated designed. By reducing the air gap induction by varying the flow rate the externally excited field winding (field weakening) or by the welding current flowing through it Windings (compounding), the load characteristics can be set will. This known method has various not inconsiderable disadvantages. Especially for universal welding converters also for inert gas welding under carbon dioxide To be able to use them, they have to be used with almost horizontal load characteristics in the no-load voltage range from 14 to 45 V and a specially tuned dynamic behavior; own. For this purpose, there is a small time constant of the welding generator that determines the increase in current necessary. The time constant rg results as the total time constant of the armature circuit and the inductively coupled magnetic circuit of the field windings. As is well known the time constant is significantly influenced by the number of turns of the armature winding. The welding converters, whose armature windings for the highest open circuit voltage (F i G. 1) are designed from 90 V and in which the lowering of the open circuit voltage to 45 V (FIG. 2) takes place, have too high a number of turns for the latter area of application in anchor. This results in a time constant that is too large and poor utilization of the active material of this machine. This is especially true for welding converters with Operating speeds around 1500 rpm.

Dieser Nachteil der bekannten Schweißumformer geht aus der Zeichnung (F i g. 1 und 2) hervor, aus der erkennbar ist, daß die Ankerwicklungen für die steil fallenden Belastungskennlinien mit hoher Leerlaufspannung ausgelegt sind und daß die kleinere Leerlaufspannung bei flacher Belastungskennlinie (F i g. 2) durch Feldschwächung des Hauptfeldes um 50 % erreicht wird. Bekanntlich gilt für die Spannungserzeugung im Generator E=U # B - 1 - v. So wird der Spannungspunkt U/2 nach F i g. 2 durch die aufgeführte Feldschwächung B%2 erreicht. Die Maschine wird, wie bereits erwähnt, in der Ausnutzung stark herabgesetzt.This disadvantage of the known welding converters can be seen from the drawing (F i g. 1 and 2), from which it can be seen that the armature windings are designed for the steeply falling load characteristics with a high open circuit voltage and that the lower open circuit voltage with a flat load characteristic curve (F i g 2) is achieved by weakening the main field by 50%. It is known that E = U # B - 1 - v applies to the generation of voltage in the generator. So the stress point U / 2 according to FIG. 2 achieved by the listed field weakening B% 2. As already mentioned, the machine's utilization is greatly reduced.

Diese Kritik bezieht sich hauptsächlich auf Schweißumformer mit Drehzahlen um 1500 U/min und für Schweißströme bis 400 A. Bei Schweißumformern mit Drehzahlen um 300 U/min ist zwar die Zeitkonstante auf Grund der kleineren Windungszahl im Anker geringer, aber es tritt ein größerer Verschleiß der Kohlebürsten und der Lager sowie eine stärkere Geräuschbildung auf.This criticism mainly relates to speed weld converters around 1500 rpm and for welding currents up to 400 A. For welding converters with speeds The time constant is around 300 rpm due to the smaller number of turns im Armature less, but there is greater wear on the carbon brushes and the bearings as well as a stronger noise generation.

Die Erfindung hat sich über den Stand der Technik hinaus die Aufgabe gestellt, einen rotierenden Lichtbogenschweißumformer zu schaffen, der bei den bevorzugten Drehzahlen um 1500 U/min, also normaler Drehzahl mit großer Laufruhe und geringem Verschleiß, eine spezielle Eignung für die MIG- und C02 Schweißung besitzt. Gleichzeitig soll dieser Umformer im Gegensatz zu bekannten Lichtbogenschweißumformern für die MIG-, CO,-, Elektrodenhand- und WIG-Schweißung einsetzbar sein. Im Falle der MIG- und CO; Schweißung ist er materialmäßig entsprechend den bekannten Beanspruchungen normaler elektrischer Maschinen ausgelegt. Neben der bevorzugten Anwendung für die MIG- und C02 Schweißung ist dieser Umformer ohne funktionell bedingte Minderung der Materialausnutzung nach Umschaltung für die Elektrodenhand- und WIG-Schweißung verwendbar.In addition to the prior art, the invention has set itself the task of creating a rotating arc welding converter which, at the preferred speeds of around 1500 rpm, i.e. normal speed with great smoothness and low wear, is particularly suitable for MIG and C02 Weld. At the same time, in contrast to known arc welding converters, this converter should be able to be used for MIG, CO, manual electrode and TIG welding. In the case of MIG and CO; Welding, it is designed in terms of material according to the known stresses of normal electrical machines. In addition to the preferred application for MIG and C02 welding, this converter can be used for manual electrode and TIG welding without any function-related reduction in material utilization after switching over.

Erfindungsgemäß ist der rotierende Gleichstrom-Lichtbogenumformer mit Einstellung einer steilen, einer flachfallenden oder einer flachen statischen Strom-Spannungs-Charakteristik für UP-, MIG- und C02 Schweißung einerseits und Hand- oder WIG-Schweißung andererseits dadurch gekennzeichnet, daß der Generator voll auf Sättigung erregt ist und bei Umschalten auf steile Charakteristik auch erhöhte, vorzugsweise doppelte Drehzahl gebracht wird. Hierdurch wird eine ausgezeichnete Ausnutzung des aktiven Materials und eine wesentliche Verbesserung und Anpassung der Schweißeigenschaften dieses Schweißumformers für die MIG- und C02-Schweißung unter Beibehaltung der günstigen Betriebsdrehzahl um 1500 U/min erreicht. Darüber hinaus ist die Möglichkeit der Umschaltung auf steil fallende Belastungskennlinien (F i g. 1), wodurch die Elektrodenhand- und WIG-Schweißung gleichfalls möglich ist, von besonderer Bedeutung. So entsteht eine universell anwendbare Schweißstromquelle. Bei dem Hauptanwendungsgebiet (MIG-, C02 Schweißung) sind bei dennoch geringem Leistungsgewicht und wirtschaftlichem Materialaufwand der Verschleiß und die Geräuschbildung gering, die Schweißeigenschaften aber besonders gut. Wie schon betont, ist die Umschaltmöglichkeit durch einfache Mittel äußerst bemerkenswert und erhöht die Anwendungsmöglichkeiten und den Ausnutzungsgrad und entspricht somit der Vielgestaltigkeit der modernen Schweißtechnik.The rotating direct current arc converter is according to the invention with setting a steep, a shallow or a flat static Current-voltage characteristics for UP, MIG and C02 welding on the one hand and manual or TIG welding, on the other hand, characterized in that the generator is full is excited to saturation and when switching to steep characteristic also increased, preferably double the speed is brought. This makes an excellent Exploitation of the active material and a substantial improvement and adaptation the welding properties of this welding converter for MIG and C02 welding Achieved while maintaining the favorable operating speed of 1500 rpm. About that In addition, there is the option of switching to steeply falling load characteristics (Fig. 1), which means that manual electrode welding and TIG welding are also possible, really important. This creates a universally applicable welding power source. In the main area of application (MIG, C02 welding), the power-to-weight ratio is low and economical use of materials, wear and noise levels are low, but the welding properties are particularly good. As already emphasized, the option to switch is by simple means extremely remarkable and increases the application possibilities and the degree of utilization and thus corresponds to the diversity of modern welding technology.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 den Bereich der steil fallenden Belastungskennlinien, F i g. 2 den Bereich der fast horizontalen Belastungstrennlinien.The invention is to be described in more detail below using an exemplary embodiment explained. In the drawing, F i g. 1 the area of the steeply falling Load characteristics, F i g. 2 the area of the almost horizontal load dividing lines.

Die Ankerwicklung des Generators ist bei voller Erregung und einer Drehzahl um 1500 U/min für 45 V ausgelegt. Hierbei sind bei entsprechender Bürstenstellung die in F i g. 2 gezeigten fast horizontalen Belastungstrennlinien einstellbar. Gleichfalls werden die bekannten Mittel zur Kennlinienvariierung durch Compoundwicklung angewendet. In diesem Betriebsfall ist der Generator hoch ausgenutzt und hat einen geringen Verschleiß und mäßige Geräuschbildung sowie die guten angestrebten Schweißeigenschaften speziell für die MIG- und C02 Schweißung. Soll die Elektrodenhand- oder WIG-Schweißung angewendet werden, so wird, wie das Anwendungsbeispiel zeigt, der Antriebsmotor - ein polumschaltbarer Asynchronmotor - auf Drehzahlen um 3000 U/min umgeschaltet. Dies ist mit einem verhältnismäßig einfachen Umschalter möglich. Dadurch verdoppelt sich die Leerlaufspannung (F i g. 1) auf 90 V. Durch an sich bekannte Mittel werden dann die fallenden Belastungstrennlinien erzeugt.The generator armature winding is at full excitation and one Speed around 1500 rpm designed for 45 V. Here are with the appropriate brush position the in F i g. 2 shown almost horizontal load dividing lines adjustable. Likewise the known means for characteristic curve variation by compound winding are used. In this operating case, the generator is highly utilized and has a low level Wear and moderate noise generation as well as the good desired welding properties especially for MIG and C02 welding. Should the electrode hand or TIG welding are used, as the application example shows, the drive motor is used - a pole-changing asynchronous motor - switched to speeds around 3000 rpm. This is possible with a relatively simple switch. This doubled the open circuit voltage (Fig. 1) to 90 V. By means known per se then the falling stress dividing lines are generated.

Weiterhin kann dieser Schweißumformer mit einer separaten Bürsteneinstellvorrichtung ausgerüstet sein, um besonders im Bereich der fast horizontalen Belastungstrennlinien eine Verstellung der Neigung der Belastungskennlinien vornehmen zu können. Hiermit kann der Ausgleich des über den angeschlossenen Schweißkabeln entstehenden Spannungsverlust ausgeglichen werden. Somit kann unabhängig von bestimmten Kabellängen die Neigung der Belastungskennlinien nachgestellt werden.Furthermore, this welding converter can be equipped with a separate brush adjustment device be equipped, especially in the area of the almost horizontal load dividing lines to be able to adjust the inclination of the load characteristics. Herewith can compensate for the voltage loss caused by the connected welding cables be balanced. Thus, the slope can be independent of certain cable lengths the load characteristics can be adjusted.

Claims

Claims: 1. Rotating direct current arc converter with Setting of a steep, a gently falling or a flat static current-voltage characteristic for UP, MIG and C02 welding on the one hand and hand and TIG welding on the other, d u r c h e k e n n -z e i c h n e t that the generator is already idling is fully excited to saturation when the flat characteristic is switched on and at Switching to steep characteristics at increased, preferably double, speed is brought.

2. Rotary direct current arc welding converter according to claim 1, characterized in that the brush yoke is adjustable so as to the voltage loss caused by the connected welding cable, compensate and a stepless change in the inclination of the static load dividing lines to be able to achieve. References considered: U.S. Patent No. 1608 594; Brown Boveri Mitt., April 1958, p. 179; Siemens brochure, 475 6/308 a of June 1960; Journal »Welding and Cutting«, volume 12, 1959, p.58.