DE1440437A1 - Elektrischer Schweissapparat - Google Patents

Description

Fiankfurt/Mam-1 χ Parkstiaß© 13

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General Electric Company, Sehenectady, N.Y., U.S.A.

Elektrischer Schweißapparat

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät, zwei Materialien mit elektrischer Energie zusammenzuschweißen, und im besonderen auf ein Schweißverfahren und ein Schweißgerät, in dem die elektrische Energie in i'orm wiederholter Stromimpulse zugeführt wird, deren Größe, Dauer und Zahl mit großer Genauigkeit geregelt werden können.

In einem üblichen elektrischen Schweißverfahren, als Widerstands schweißen bekannt, wird Strom durch die Körper hindurchgeschickt, die an ihren Berührungsstellen verschweißt oder vereinigt werden sollen. Beim Durchgang des Stromes werden die Materialien an ihrer Berührungsstelle örtlich erhitzt, so daß das Material schmilzt. Auf diese Weise wird die gut bekannte Punktschweißung erzeugt.

Normale Widerstandspunktschweißungen werden durch Widerstandsheizung durchgeführt und führen zu einer gegoss.enen Schweißperle. Um eine dichte Schweißperle zu erhalten, ist ein hoher Schweißdruck erforderlich, um die Schrumpfung des gegossenen Materials bei der Abkühlung auszugleichen. Dabei ergeben sich auf jeder Oberfläche des Metalls Vertiefungen. Darüber hinaus vermindert der erforderliche hohe Druck den Übergangswiderstand zwischen den beiden Materialien, so daß für die gleiche Schmelzleistung ein höherer Strom erforderlich ist als bei niedrigerem Druck.,

Bisher wurden für normale Widerstands-Punktschweißungen bohweißapparate verwendet, die mit Kondensatorentladungen oder reinen Wechselströmen arbeiteten. Die Kondensatorentladungs-Schweißapparate werden hauptsächlich dazu benutzt, einzelne Energieimpulsin ;Z;tt,iez;zeugen und verwenden große Batterien von Elektro-

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lytkondensatoren, die mit der Zeit altern. Die Energieverteilung ist ungleichförmig. Außerdem kann die Form des Energieimpulses nicht gesteuert werden, da diese Impulsform eine Punktion vieler Variabler ist, zu denen auch die Belastung und der Ausgangstransformator gehören. Da weiterhin die in einem Kondensator gespeicherte Energie eine quadratische Punktion der Kondensatorspannung ist, ändert sich die Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert der Schweißenergie quadratisch mit jedem Fehler in der Spannungseinstellung, iis ist daher nicht möglich, auf Wunsch wirklich identische Energieimpulse zu erzeugen. Unter solchen Bedingungen muß mit mangelhaften Schweißungen gerechnet werden.

Schweißapparate mit reinem Wechselstrom werden verwendet, um Energieimpulsfolgen zu erhalten. Diese Art der Steuerung ist zwar brauchbar, ist aber in manchem beschränkt. Da die Steuerung von der Netzfrequenz abhängt, ist die Wiederholungsfrequenz der Impulse auf jede Periode oder zumindest Halbperiode der Stromversorgung begrenzt. Darüber hinaus ist es schwierig, Impulse mit vorbestimmten Energieinhalt zu erreichen, deren Breite oder Dauer kürzer als eine Halbperiode ist, da die Amplitude des Energieimpulses eine Funktion des Leitungs-Phasenwinkels ist. Eine kleine Änderung dieses Phasenwinkels macht . sich in beträchtlichen Unterschieden in der Schweißung bemerkbar, und zwar aufgrund der natürlichen Änderung der Impulsamplitude. Ebenfalls ist es nur schwer möglich, einen einmal eingesetzten Leitvorgang zu unterbrechen, bevor der Strom durch Hull hindurchgeht. Es gibt daher keine Möglichkeit, über Gegenkopplung oder eine Null-Methode genaue, vorbestimmte Ergebnisse zu erhalten.

Der oben aufgezeigten Beschränkungen wegen war es bisher nicht möglich, Schweißenergie auf Wunsch in Form von genau vorbestimmten oder identischen Beträgen zuzuführen. Daher wurde eine hohe Zuverlässigkeit sowie Wiederholbarkeit des üchweißvorgangs nicht immer erreicht. Diese Beschränkungen werden dann besonders deutlich, wenn Drähte über Kreuz verschweißt werden

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eollexi, wenn Leitungsdrähte geschweißt werden sollen, wenn An- ! eohluBetifte en Leuchtstofflampensockel oder an andere elektrieehe Geräte angeschweißt werden sollen oder wenn bubminia- ■ turdrähte und feile für Halbleiter oder ähnliches verbunden

werden sollen, also überall da, wo aufgrund der geringen Grö- ^: ße der Einzelteile, die verschweißt werden sollen, eine große Zuverlässigkeit in der Einhaltung genau vorbestimmter Schweißenergiebeträge erforderlich ist.

liner der Hauptgesichtspunkte dieser Erfindung ist daher die Entwicklung eines Schweißverfahrens und die Schaffung einer Bohweiestromquelle, durch die man Schweißstrom in vorbestimmten Beträgen erhält, wodurch eich durchweg überlegene Schwei-Bungen herstellen lassen.

Ein weiteree Ziel der Erfindung ist ein Schweißverfahren, duroh das man eine Schweiß-Grenzschicht erhält, die einer Diffusionsverbindung nahe kommt, und bei dem man mit niedrigen Schweißdrücken auskommt.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein bchweißverfahren, das ee gestattet, hitzebeständige Stoffe oder Stoffe mit hohem Schmelzpunkt miteinander oder mit Stoffen von niedrigem Schmelzpunkt zu verschweißen.

Schließlich ist noch eine verbesserte Schweißstromversorgung Gegenstand der Erfindung, die auf jedes Schließen des auslösenden Steuerkreises Einzelstromimpulse fester Amplitude und einstellbarer Breite erzeugt, sowie eine Impulszeitgeberschaltung, die dafür sorgt, daß die Sauer aller nachfolgenden Impulsperioden genau so lang wie die erste Impulsperiode ist.

uemäß der Erfindung besteht das Schweißverfahren, mit dem man zwei Metalletücke dadurch zusammenschweißt, indem man einen Strom von dem einen Metallstück in das andere hineinfließen läßt, in einer Steuerung der elektrischen Energie, die durch die Metallstücke hindurchfließt, und zwar dadurch, daß die

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Energie in kurzen, diskreten Stromimpulsen zugeführt wird, deren Amplitude, Impulsdauer und deren zeitlicher Abstand geändert wird, um die beiden Metallstueke an einem Berührungspunkt zu vereinigen, ohne die Metallstücke zu schmelzen.

/Im besonderen werden kurze Schweißzeitimpulse hoher Stromstärke verwendet, um eine Widerstandsschweißung mit den günstig-· sten Eigenschaften zu erzeugen. Die Impulse sind bezüglich ihrer Größe, ihrer Dauer und ihrer Wiederholungsfrequenz regelbar, um eine Diffusion der Metalle zu bewirken, die verbunden werden sollen, ohne daß man -zwischen den Metallen hohe Drükke anwenden muß und ohne einen Schweißpunkt nennenswerter Größe zu erzeugen» Das Gerät, mit dem dieses Schweißverfahren durchgeführt wird, enthält eine Stromversorgung, die dazu ververwendet wird, die erwünschten kurzen Schweißzeitimpulse ho-/her Stromstärke zu erzeugen. Die Impulse, die durch diese Stromversorgung geliefert werden, lassen sich bezüglich ihrer Breite, Höhe und Anzahl, sowie bezüglich ihres zeitlichen Abstandes voneinander regeln. Daher wird ein sehr hoher Grad von Anpassungsfähigkeit erreicht. Weiterhin ist diese Schweißimpuls- ^Versorgung aus sich heraus stabil und betriebssicher und kann aufeinanderfolgende Impulse erzeugen, die sich genau gleichen. Dadurch werden Schweißungen überlegener Qualität erzeugt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen eingehend beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine siebenfach vergrößerte, normale Widerstandspunk tschweißung.

Pig. 2 ist ein Blockschaltbild einer Impulsstromversorgung, die rechteckige Schweißstromimpulse liefert.

Pig. 3 ist ein Schaltbild des Sclialterkreises, der in dem Blockschaltbild von Pigur 2 gezeigt ist.

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Pig. 3A ist eine Schaltung und zeigt einen Vorwahlimpulszähler und eine Impulszeitgebersteuerung, die in dem Blockschaltbild von Figur 2 gezeigt sind.

Fig. 3B, C, D zeigen einen normalen Kipposzillator mit einem Unijunktion-Transistor sowie verschiedene seiner Kennlinien.

Pig. 3E, P, G- zeigen einen Kipposzillator mit einem Unijunktion-Transistor, in dem Überlegungen dieser Erfindung ausgeführt sind, sowie verschiedene seiner Kennlinien.

Pigο 3H zeigt einen Kipposzillator mit einem Unijunktion-Transistor, der in dem Zeitgeber der ImpulsmroSnversorgung dieser Erfindung verwendet wird.

Pig. 4 ist eine Schaltung einer Impulsstromversorgung, die Stromimpulse liefert, deren Form nach Wunsch vorbestimmt werden kann.

Pig. 5 ist eine Schaltung einer Impulsstromversorgung, die eine Abänderung der Schaltung aus Figur 4 ist.

Pig. 6, 7 und 8 zeigen Impulsformen von Stromimpulsen, die in den Schaltungen der Figuren 4- und 5 auftreten.

Pig. 9 ist ein Blockschaltbild einer anderen Impulsstromversorgung, die Stromimpulse vorbestimmter Form erzeugen kann.

Pig. 10 ist ein Blockschaltbild einer Stromimpulsversorgung, die aus einer Gleichstromquelle symmetrische Stromimpulse abwechselnder Polarität erzeugt.

Pig. 11 ist ein Blockschaltbild einer Impulsstromversorgung, die aus einer Gleichstromquelle unsymmetrische Stromimpulse abwechselnder Polarität erzeugt.

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Pig, 12 ist ein Blockschaltbild einer Impulsstromversorgung, die aus einer Gleichstromquelle Stromimpulse in einer ■weiteren Porin alternierender Impulsfolgen abgibt.

Pig. 13 zeigt eine typische Widerstandspunktschweißung, die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Die Abbildung ist 150-fach vergrößert *

Fig. 14 ist eine vergrößerte Ansicht der Fläche, die in der !figur 13 durch das Rechteck begrenzt ist. Sie ist 500-fach vergrößert»

Figur 1 zeigt eine Sehweißstelle, die mit einem normalen Widerstandsschweißverfahren hergestellt worden ist. Ebenso sind die Vertiefungen auf der Oberfläche zu sehen, die durch den hohen Schweißdruck hervorgerufen werden, der erforderlich ist, um die Schrumpfung des geschmolzenen Metalls während des Abkühlens auszugleichen« Diese Schweißstelle ist mit einem normalen Kondensatorentladungs-Schweißapparat oder einem Sinusstromschweißapparat hergestellt worden.

Die Grundidee der Hochstromimpulse kurzer Dauer ergibt sich daraus, daß Halbleiterleistungselemente einschließlich gesteuerter Gleichrichter e^gife^ erhältlich sind. Bisheage Anlagen verwendeten Thyratrons, die aus ihrer ITatur heraus langsamer sind« Heute sind jedooü gesteuerte Kochstromgleichrichter aus SiIiZi¹Ha erhältlich, die hohe Spitzenströme in der Größenordnung von 5000 A bei 600 YoIt verarbeiten können. Je kürzer die Impulsdauer ist (Impulsstromflußzeit), um so größer kann bis zu einer absoüen Grenze die bpitzenstromüberlast sein« Der Höchstwert des über eine Halbperiode gemittelten Wechselstromes von 60 Hz, wie er in binusstromsehweißapparaten verwendet wird, beträgt nur etwa 150 A,

Da gesteuerte Hoehstromgleiehrichter aus Silizium heute innerhalb 25 Mikrosekunden auf - und zugeschaltet werden können, ist es möglich, Hochstromimpulse bis hinunter zu diesen 25 Mi-

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]cr ο Sekunden und Impulse niedrigerer Energie mit einer Sauer bis hinunter zu einer Mikrosekunde zu erzeugen. Mit Sinusetromschweißapparaten können Impulsbreiten von 1-25 Mikrosekunden nicht erzeugt werden. Die größte Impulsbreite hängt von dem Verfahren ab, mit dem die Gleichrichter gesperrt werften, ferner von den Eigenschaften der magnetischen Bauteile in der Schaltung. Zusätzlich sind das Verhältnis von Impulsdauer zum Impulspause sowie die Zahl der Impulse Faktoren, die von dem speziellen Schweißvorgang abhängen.

Die Idee der Hochstromimpulse kurzer Dauer erlaubt eine bessere Xnergiei%iBnützung, da der gesamte Energiegehalt des Stromimpulsee wirklich für den Schweißvorgang verwendet wird und die Energie nach dem Ermessen des .Bedienungspersonals an- und abgeschaltet werden kann, um die gewünschte Art des Aufhei-ζβηβ und des Abkühlens zu erreichen, die für die spezielle Sohweißung gerade erforderlich ist. Im Falle eines iSinusstromschweißapparates gibt es keine Möglichkeit, den Stromimpuls nach dem Ermessen des Bedienungspersonals abzuschalten. Saher bewirkt die Energie, die sich in den Abfallflanken eines jeden Impulses befindet, eine teilweise unerwünschte Aufheizung der Schweißzone, wodurch unterlegene metallurgische Eigenschaften entstehen.

Da die Impuleetromversorgung mit Gleichstrom arbeitet, liegt der Leistungsfaktor, der dem Wechselstromnetz angeboten wird, sehr nahe bei eins, sofern an der Stelle, an der der Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt wird, eine geeignete Gleichrichter-Pilteranordnung eingesetzt ist. Ein solcher Leistungsfaktor, der fast eins ist, kann mit Wechselstromschweißapparaten nicht erreicht werden, da sie eben mit Wechselstrom arbeiten· Da ferner die Impulsstromversorgung mit Gleichstrom ' versorgt wird, hängt sie weniger von den Eigenschaften des Stromnetzes ab als die Wechselstromschweißapparate.

Figur 2 ist ein ulockschaltbild und zeigt eine Impulsstromversorgung. Eine Gleichstromquelle 1, 2 versorgt diese Impuls-

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stromversorgung mit elektrischer Energie. Den Strom für die Schweißelektroden 3 erhält man von dem Ausgangs- oder Schweißtransformator 4-. Der Strom für diesen Schweißtransformator wird von dem Schalterkreis 5 gesteuert. Der Schalterkreis enthält zwei gesteuerte Siliziumgleichrichter. Der erste Gleichrichter versorgt, wenn er "ausgesteuert ist, den Ausgangstransformator ganz allgemein mit rechteckigen Stromimpulsen, während der zweite Gleichrichter im leitenden Zustand die Breite des Stromimpulses bestimmt. Der Impulsbreiten-Zeitgeber 6 bestimmt, wann der aweite gesteuerte Gleichrichter leitend wird. Der Impulsabstandszeitgeeer 7 bestimmt, wann der erste Gleichrichter leitend wird, um den nächsten Stromimpuls zu liefern. Der Vorwahlirapulszähler S zählt die Anzahl der Stromimpulse, die für einen bestimmten üchweißvorgang erforderlich sind» Wenn die Kontaktvorrichtung 9 betätigt wird? erzeugt die Impulsstromversorgung automatisch diejenige Anzahl von Stromimpulsen, die von dem Vorwahlimpulszähler vorbestimmt ist» während die Breite eines jeden Impulses von dem Impulsbreitenzeitgeber und der Abstand zwischen zwei Impulsen von dem Impulsab» stands zeitgeber gesteuert wird.

Die !Figur 5 zeigt eine Schaltung des Schalterkreises 5 in Figur 2» Gleiche üezugszeichen beziehen sich auf identische Bauelemente. Der bchalterkreis arbeitet wie folgt: Im Ruhezustand leiten weder der erste gesteuerte Gleichrichter 10 noch der zweite gesteuerte Gleichrichter 11, und ein Kondensator 12 wird durch die positive Gleichstromleitung 1 über die Drossel 13j die Diode 14 und den transformator 4- aufgeladen. Der erste gesteuerte Gleichrichter wird leitend.» wenn an-den Anschlüssen 15 ein signal von dem Impulsabstanässeitgeber erscheint, Damit beginnt die Stromimpulserzeugung. Der gesteuerte Gleichrichter 10 leitet während, der Dauer des Stromimpuls es. Wenn der zweite gesteuerte Verstärker 11 durch fe ein Signal von dem Impulsbreitenzeitgeber an den Anschlüssen 16 betätigt wird, entlädt sich der Kondensator 12 in 3?om einer Schwingung, während einer ersten Halbpericde dieser Schwingung fließt der Strom durch, den gesteuerten G-leicliricriter 11 und die Drossel 13·

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Während der zweiten Halbperiode der Kondensatorentladung geht der Strom durch die Drossel 13 und die Dioden 14 und 17 hindurch. Dadurch, daß die Diode 17 leitet, wird der gesteuerte Gleichrichter 10 in seinen nichtleitenden Zustand gebracht. Dadurch wird der Stromimpuls beendet. Die üerienschaltung von Widerstand 18 und Kondensator 19» die über den gesteuerten Gleichrichter 10 gelegt ist, sowie die Serienschaltung aus Wideretand 20 und Kondensator 21, die über die Diode 14 gelegt ist, dienen dazu, Impulsübergangsspannungen zu unterdrükken. Diode 22 und Widerstand 23 sind in Serie über den Ausgangstransformator 4 geschaltet und stellen eine Scheinlast dar, die es dem Schalterkreis 5 erlaubt, unter sämtlichen Belastungsverhältnissen des Transformators zu arbeiten. Zenerdiode 24, Widerstand 25 und Diode 26 sind ebenfalls in Serie über den Ausgangetransformator geschaltet, um die ßückstellgeschwindigkeit des Transformators zu begrenzen und um zu verhindern, daß an den gesteuerten Gleichrichtern übermäßige Spannungen auftreten. Widerstand 27 liegt in Serie mit der Rückstellwicklung 28 des Transformators 4 und dient dazu, nach der Erzeugung des ersten Stromimpulses einen einwandjreien Impulsbetrieb des Transformators zu erhalten. Das geschieht dadurch, daß der magnetische Fluß in dem Transformator auf seinen ursprünglichen Wert wieder abgebaut wird. Diode 29,die mit den Schweißelektroden 3 in Serie liegt, erlaubt einen Abbau des Magnetflusses im Transformator, ohne daß die Schweißbacken geöffnet werden müssen.

Die Schweißimpulsstromversorgung ist dem Kondensatorentladungeschweißapparat oder dem Wechselstromschv/eißapparat noch in einem weiteren Punkt überlegen. Sie kann nämlich so abgeändert werden, daß man zusätzlich zu der Hechteckimpulsform eine gewünschte, vorbestimmte Impulsform erhält, die einem beliebigen, gewünschten Schweißschema genügt. Daher ist das Schweißverfahren nicht auf die Verwendung einer Folge von identischen Rechteckimpulsen beschränkt, sondern enthält auch den breiteren Gedanken, eine Schweißimpulsfolge zu verwenden, die aus einzelnen, gleichartigen oder nichtgleichartigen Im-

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pulsen vorbestimmter, kontinuierlicher Gestalt bestellt, bei der sich der zeitliche Abstand zwischen den Impulsen auf Wunsch verändern läßt. Solche Impulse von regelbarer Gestalt kann man dadurch erhalten, daß man eine Folge von Hochfrequenzimpulsen erzeugt, die, wenn sie durch einen geeigneten Schaltkreis hindurchgegangen sind, einen einzelnen, kontinuierlichen Schweißimpuls bilden. Die Hochfrequenz-impulse körnen einen regelbaren Abstand oder ein regelbares Verhältnis von Impulsdauer zu Impulsabstand besitzen. Die regelbare Amplitude des Schweißimpulses bestimmt sich aus dem Mittelwert eines jeden Impulses aus der hochfrequenten Impulsfolge. Da aber die einzelnen Hochfrequenzimpulse bezüglich ihrer Breite und ihres Abstandes eingestellt werden können, kann die Amplitude des Schweißimpulses so reguliert werden, daß jede gewünschte, vorbestimmte Impulsform entsteht. Auf diese Weise ist die Amplitude sehr rasch (elektronisch) einstellbar. Dadurch erhält man ein Höchstmaß an Anpassungsfähigkeit und Regelmöglichkeit.

Figur 3A zeigt die Zeitgeberkontrolle, die das Verhalten des Haltekreises 5 bestimmt. In der Figur 3A ist der Impulsabstandzeitgeber 7 aus Figur 2 als ganzes mit der Bezugsziffer 61 bezeichnet. Er bestimmt den Zeitpunkt, zu dem der erste gesteuerte Gleichrichter 10 gleitend wird. Der Impulsbreitenzeitgeber 6 aus Figur 2 ist in der Figur 3A als Ganzes mit demBezugszeichen 62 versehen und steuert den Zeitpunkt zu dem der zweite gesteuerte Gleichrichter 11 leitend wird. Der Yorwahlimpulszähler 8 aus Figur 2 ist in der Figur 3A mit dem Bezugs zeichen 63 versehen. Er bestimmt die Zahl der Stromimpulse,die für einen speziellen Schweißvorgang vom ersten gesteuerten Gleichrichter 10 erzeugt wird.

Die Einzelheiten der Figur 3A sollen beschrieben werden, nachdem die Eigenschaften von Kipposzillatoren mit Unijunktiontransistor en erörtert sind, die in de». Figuren 3D, 3G und 3H zu sehen sind. Der besondere Schaltkreis aus Figur 3H wird sowohl in dem Impulsabstandszeitgeber 61 als auch in dem Impulsbreitenzeitgeber 62 der Figur 3A verwendet.

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Der Unijunktion-Transistor 64 in den Figuren 3D, 3G und 3H ist dafür bekannt, daß er als Kipposzillator sehr stabil arbeitet. In den Anwendungen, in denen der Unijunktion-Transistor als ein Oszillator verwendet wird, braucht man dem zeitlichen übergang, der während der ersten Kipperiode auftritt, keine Beachtung zu schenken. In einer solchen Anwendung, in der der Unijunktion-Transistor als ein Verzögerungs- oder Zeitgeberglied verwendet wird, wird nur die erste Periode der Kipp- sohwlngung verwendet. In dem Zeitgeber für die Schweißvorrichtung muß der Unijunktion-Transistor allerdings zwischen einem MaI und 20 Mal kippen, wobei die Periode konstant sein muß.

In der Figur 3B ist der Verlauf der Spannung V_ß an dem Zeit- geberkondenaator 65 in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen, Sie Kurve ist an einem normalen Oszillator aufgenommen, der einen Ünüjunktlon-Iransistor verwendet. Wenn Strom angelegt wird, beginnt der Kondensator 65 in Figur 3A sich von der Spannung Null bis zur Spannung V aufzuladen, wobei die bpannung V die Peakepannung der Unijunktion-Transistor-Kennlinie ist. Figur 3C zeigt die Emitterkennlinien eines Unijunktion-Tran- slstors, d.h., die Abhängigkeit der Emitterspannung ν auf der

si

Ordinate gegen den Emitterstrom I auf der Abszisse. Am Ende an einer jeden Kipp-Periode entladt sich der Kondensator bis auf eine Spannung V , die die Talspannung der unijunktion- Transistor-Kennlinie ist. Das bedeutet, daß die zweite und die folgenden Kipp-Perioden kurzer sind, d.h. tp kleiner als t.<

Fügt man eine Induktivität 66, Figur 3U,in den Entladungszweig des Kipposzillatore ein, so entlädtsich der Kondensator in Form einer Schwingung. Obwohl diese Induktivität in i'igur 35 in einer ganz bestimmten Weise eingeschaltet ist, kann sie ir gendwo in dem Entladungszweig angeordnet sein. Wählt man den ' Wert der Induktivität richtig, so kann man durch die Spannung an dieser Induktivität V^ von Figur 3F die Spannung an der Ba sis des Unijunktion-'iransistors in der Polarität negativ, jedoch dem Betrag nach gleich der 'i: al spannung V des Unijunktion- Transistors machen. Dadurch geht am Ende jedes Kippvorganges

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die Kondensatorspannung wieder auf KuIl zurück, wie es in der Figur 3G gezeigt ist. Das "bedeutet, daß die Dauer eines Kippvorganges durch die Widerstandskapazität Zeitkonstante und durch die Peakspannung des Unijunktion-Transistors bestimmt ist. Das Rückstellen des Kondensators ist durch die sinusförmige Schwingung des Kreises aus Induktivität und Kapazität "bestimmt. Die gleiche Rückstelltechnik kann angewendet werden, wenn man anstelle der Induktivität Öchaltdetektoren, wie beispielsweise Vierschichtdioden oder Ueonglimmlampen verwendet.

Der Unijunktion-Transistor-Schaltkreis muß Stromimpulse liefern, um den leitenden Zustand der gesteuerten Gleichrichter in der Schweißschaltung auslösen zu können. Dies kann man dadurch erreichen, daß man die Induktivität 66 in einen Impulstransformator 67 umwandelt, wie es in der Figur 3H gezeigt ist. Führt man das durch, so wir* der Q-Wert der schaltung aus Induktivität und Kapazität eine i'unktion der Belastung des Impulstransformators. Die Güte des Kreises muß daher für die Bedingungen ausgelegt werden, unter denen die stärkste Belastung auftritt. Wenn die Belastung geringer wird, oder wenn sich die Betriebsbedingungen der Schaltung ändern, neigt die Schaltung dazu, am Ende eines jeden Kippvorganges den Kondensator negativ aufzuladen. Um das zu verhindern, wird die Diode 68 verwendet, die immer dann leitet, wenn die Kathode der Dioden ein negatives Potential erhält. Wenn die Diode leitet, ist allerdings immer ein endlicher Spannungsabfall über die Diode vorhanden. Die Diode 68 kann daher die Kondensatorspannung nicht genau auf IVuIl halten. Der endliche Spannungsabfall über die Diode ist allerdings wesentlich geringer als die Talspannung des Unijunktion-Transistors, so daß siiKh insgesamt gesehen, doch eine Verbesserung in der Wirkungsweise der Schaltung ergibt, Die Wirkung des endlichen Spannungsabfalles über die Diode kann durch die Einführung einer v'orspanndiode vermindert werden (nicht gezeigt). Der endliche Spannungsabfall der beiden Dioden neigt dazu sich auszugleichen, wodurch der Kondensator bis auf wull entladen werden kann.

In der Figur 3A sind die ivippzweige des Impulsabstandszeitge-

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bers 61 und des Impulsbreitenzeitgebers 62 mit der Figur 3H identisch! Identische Bauelemente aus der Figur 3H sind in den Impulsabstandszeitgeber 61 und in den Impulsbreitenzeitgeber 62 mit den Bezugsziffern 64, 65» 67 und 68 ausgezeichnet. Der Ausgang des Impulstransformatorβ 67 in dem Impulsabstandszeitgeber 61, der den leitenden Zustand des ersten gesteuerten Gleichrichters 10 auslöst, ist durch die Ziffer 15 bezeichnet. Der Ausgang des Impulstransformators 67 in dem Impulsbreitenzeitgeber 62, der den leitenden Zustand des zweiten gesteuerten Gleichrichters 11 auslöst, ist durch die Bezugsziffer 70 bezeichnet. Die Potentiometer 71, 72 in dem Impulsabstandszeitgeber und dem Impulsbreitenzeitgeber sind so gezeigt, als wären sie mechanisch miteinander gekoppelt. Sie können jedoch auch getrennt voneinander einstellbar sein. Die Eineteilung der Potentiometer 71 und 73 in dem Impulsabstandszeitgeber 61 bestimmt die Zeitdauer zwischen zwei Impulsen in dem Ausgangstransformator 3« Die Einstellung des Potentiometers 72 in den Impulsbreitenzeitgeber 62 bestimmt die Breite des Stromimpulses· Die übrigen Bauteile in dem Impulsabstandszeitgeber 61 und dem Impulsbreitenzeitgeber 62 sind gleioh und haben die gleiche Funktion. So dienen die Widerstände 74 und 75 sowie die Zenerdioden 76 und 77, die alle hintereinander über die Versorgungsleitungen 1 und 2 geschaltet sind, dazu, über den Steuerkontakt oder Druckknopf 9 jedem der Schaltkreise die gewünschte Spannung zuzuführen. Die Widerstände 79 und 80, die mit den Basiselektroden 81 und 82 der Unijunktion-Transistoren 64 verbunden sind, begrenzen den Basisstrom dieser Uni^unktion-Transistoren. Über die Zenerdioden 76 und 77 sind entsprechende Siebkondensatoren 83 und 84 gelegt. Das Potentiometer 85 und der Widerstand 86 sind hintereinander geschaltet und liegen über einem Kondensator 83· Ebenso liegt die aeriensehaltung aus dem potentiometer 87 und dem Widerstand 88 parallel zu dem Kondensator 84. Diese Widerstands- und Kondensatornetzwerke bestimmen die Spannung, die den Zeitgeberkondensatoren 65 zugeführt wird. Die Widerstände 89 und 8 90, die jeweils mit den Abgriffen der Potentiometer 85 und 87 verbunden sind, bestimmen primär die Widerstandskondensatorzeitkonstante zur Aufladung der Zeitgeberkondensatoren 65·

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Die Schalt eigenschaft en der Onijunktion-Transistoren, verbunden mit der stabilen Kippspannung und ihrem verhältnismäßig hohen Spitzenstrom lassen diese Unijunktion-Transistoren für Zählschaltungen sehr geeignet erscheinen. In der Figur 3A wird ein Unijunktion-Transistor 91 in dem Vorwahlimpulszähler verwendet, der als ganzes mit der Bezugsziffer 63 gekennzeichnet ist. In dieser Schaltung liegt ein Zählspeicherkondensator 92 zwischen dem Emitter des TJnijunktion-Transistors 91 und Erde. I¹Ur jeden Stromimpuls, der an dem Punkt 3H erzeugt wird, sammelt der Zählspeicherkondensator über das Seriennetzwerk mit einem Widerstand 93, einem Kondensator 94 und einer Diode 95 zusätzlich einige positive Ladung an. Die Zeitkonstante, die von dem Widerstand 93 und ien Kondensatoren 94 und 92 bestimmt ist, ist so gewählt, daß der Ladestrom während der Impulsdauer' aufhört. Der Kondensator 94 ist in einem typischen Fall wesentlich kleiner als der Kondensator 92. Um Stromimpulse verschiedener Breite zu zahlen, ist von der Verbindungsstelle zwischen dem Kondensator 94 und der Diode 95 eine Diode 96 gegen Erde gelegt. In Verbindung mit dem Widerstand 93 bildet sie einen Stromweg zur Entladung des Kondensators 94 nach jedem Impuls. Die Zähl^kapasität des Vorwahlimpulszählers wird durch eine Änderung einer Vorwahlspannung unter die Spannung des Peaks in der Unijunktion-Transistorkennlinie eingestellt. Eine automatische Vorwahl am Kondensator 92 wird durch die Verwendung einer Diode 97 erreicht, die mit dem Emitter des Unijunktion-Transistors 91 verbunden ist. Am Ende eines jeden Zählzyklus wird der Speicherkondensator 92 aufgrund der Schaltwirkung des Uhijunktion-Transistors 91 entladen. Die Schaltwirkung tritt auf, wenn die Spannung am Emitter dieses Transistors eine Spannung erreicht hat, die der "peak"-Spannung der Kennlinie des TJnijunktion-Transistors entspricht. Der Kondensator 92 kann sich dann schnell durch den niedrigen Vorwärtswiderstand der Diode 97 bis auf die Vorwählspannung entladen. Am Ende des ersten Zählimpulses wird die Spannung an der Kathode der Diode 97 aufgrund der positiven Ladung auf dem Kondensator 92 positiv. Die Diode 97 stellt daher einen großen Widerstand dar. Das heißt: Zwischen den Impulsen entlädt sich der Kondensator 92

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nioht, und die Wirkung des zeitlichen Abstandes zwischen den Impulsen ist daher zu vernachlässigen. Wenn jedoch mit dem Potentiometer 98 eine niedrigere Vorwählspannung ausgewählt wird, kann eich der Kondensator 92 durch die Diode 97 nicht mehr entladen. Schaltet man der Diode 97 einen Widerstand 99 parallel, ao wird der notwendige Entladungsweg wieder hergestellt. Der Zähler let nun jedoch auf die zeitlichen Impulsabstände wieder empfindlich. Dieser Effekt ist aber für kleine Impulsabetände rernaohlässigbar klein und kann durch die Auswahl eines geeigneten Wertes für den Widerstand 99 für größere Impulsabstände vernachlässigbar gemacht werden. Der Kondensator kann natürlich auch dadurch auf eine niedrigere Vorwahl spannung gebracht werden, daß man den Widerstand 99 wegläßt und den Druckknopf 78 betätigt.

Die Vorwahlspannung erhält man von einem Potentiometer 98, das mit einer stabilisierten Spannungsquelle verbunden ist, die aus einer Parallelschaltung einer Zenerdiode 100 einerseits und den Widerständen 101 und 102 sowie den Potentiometern 103 und 104- andererseits besteht·

Durch die Einstellung der Vorwählspannung auf verschiedene Werte kann die Zählkapazität der Schaltung geändert werden.

Fügt man eine Diode 105 hinzu, die zwischen den Knotenpunkt zwischen dem Wideretand 93 und dem Kondensator 94 und Erde gelegt ist, so kann die Schaltung auch mit bipolaren Impulsen zufriedenstellend arbeiten. Die Diode 105, deren Anode geerdet ist, verhindert, daß der Kondensator negative Ladungen enthält. Dadurch werden negative Impulse ausgeschaltet. Eine Diode 106 und eine Zenerdiode 107 sind hintereinandergeschaltet und führen von einer Seite der Zenerdiode 100 zur Diode 105. Die Diode 106 dient dazu, die positiven Impulse auf eine Spannung zu beschneiden, die durch die Summe der Spannungen von der Zenerdiode 100 und der Zenerdiode 107 bestimmt ist. Ein Widerstand 108, der zwischen dem Potentiometer 98 und dem Widerstand 99 lj%t, begrenzt den Strom, um zu verhindern, daß der Unijunk-

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tion-Transistor bistabil wird. Ein Widerstand 109_f der zwischen der Versorgungsleitung 1 und der Zenerdiode 100 liegt, sorgt dafür, daß an der Zenerdiode Spannung anliegt, auch weau der Druckknopf 9 offen ist. Ein Widerstand 110 begrenzt den Basisstrom des Unijunktion-Transistors 91 ο Eine Diode 111 und ein Widerstand 112, der an einem Ende des Druckknopfes^liegt, regelt die Spannung an der Vorerregungswicklung 113 eines gekapselten Zungenschalters 114. Die Diode 111 hält die Spannung an dem Punkt zwischen den Widerständen 112 und 115 auf dem Wert der geregelten Spannung von der Zenerdiode 100. Ein Kondensator 116, der zu dem Widerstand 115 und der Vorerregungswicklung 113 parallel liegt, verhindert, daß Übergangssignale über die Vorerregungswicklung 113 und die Impulswicklung 117 des gekapselten Zungenschalters 114 auf den Unijunktion-Transistor 91 rückgekoppelt werden. Wenn der Unijunktion-Transistor leitet, nachdem ihn die korrekte Impulszahl erreicht hat, überwiegt der otrom in der Impulswicklung 117 des Zungenschalters 114 die Vorerregung durch die Yorerregungwwicklung 113· Dadurch werden die Kontakte 118 geschlossen, die über den Zeitgeberkondensator 65 gelegt sind, und die Erzeugung weiterer Impulse durch den Impulsabstandszeitgeber 61 unterbunden, mit denen der erste gesteuerte Gleichrichter 10 leitend gemacht wird.

In Figur 4 ist eine Schaltung gezeigt, die einen Schweißimpuls einer gewünschten, vorbestimmten Form erzeugen kann. Die Einzelteile einer solchen Schaltung sind eine Umkehrstufe, die als ganzes mit der Bezugsziffer 30 bezeichnet ist, und die eine Folge hochfrequenter, allgemein rechteckiger Impulse erzeugen kann, die bezüglich ihrer Breite und ihres Abstandes regelbar sind, sowie ein Filternetzwerk, das als Ganzes mit der Bezugsziffer 31 bezeichnet ist und das aus einer Anzahl der hochfrequenten Impulse den Einzelimpuls von gewünschter Impulsform herstellt, sowie noch ein verbraucher, der als Ganzes mit der Bezugsziffer 32 bezeichnet ist und der den Schweißimpuls von vorbestimmter Form verwendet. Die Umkehrstufe in Figur 4 ist eine Abänderung des Schalterkreises aus ±^<!igur 3 und

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arbeitet auf die gleiche Weise. Gleiche Bezugsziffern stellen gleichartige Bauteile dar. Der einzige Unterschied liegt darin, daß der Kondensator 12 durch den Widerstand 33 aufgeladen wird und daß die erste Halbperiode des üntladestroms vom Kondensator 12 durch die Induktivität 13, die Diode 14 und den gesteuerten Gleichrichter 10 fließt, um die Beschreibung zu vereinfachen, sind die Netzwerke zur Unterdrückung von Übergangs spannungen zum Abbau des Magnetflusses in dem Transformator sowie die Hilfslast aus Figur 3 in der Figur 4 weggelassen worden. Es ist klar, daß anstelle der Umkehrstufe 30 in Figur 4 auch der Schalterkreis aus Figur 3 verwendet werden kann. Das PiIternetzwerk 31, das in der Figur 4 erforderlich ist, hängt von der gewünschten Form des Schweißimpulses ab. Das gezeigte Filternetzwerk ist von normaler Bauart. In bestimmten Fällen kann der Kondensator aus dem Filter weggelassen werden. In der Figur 4 enthält der Verbraucher einen Ausgangs- oder Schweißtransformator 4 und Schweißelektroden 3· Figur 5 stellt eine Abänderung der Figur 4 dar. Der Unterschied liegt darin, daß der Transformator 4 zwischen der Umkehrstufe 30 und dem Filter 31 liegt. Der Transformator 4 kann weggelassen werden, wenn der gesteuerte Gleichrichter 10 den Schweißstrom führen kann, ohne überhitzt zu werden.

Den gewünschten Ausgang an hochfrequenten Impulsen erhält man aus der Umkehrstufe 30 dadurch, daß man die Steuersignale für die gesteuerten Gleichrichter 10 und 11 an den entsprechenden Anschlüssen 15 und 16 programmiert, wodurch sich für den gesteuerten Gleichrichter 10 und damit für den Ausgang der Umkehrstufe vorbestimmte "Auf"- und "Zu"-Intervalle ergeben.Die Programmierung kann so durchgeführt werden, daß man unter Konstanthaltung der Impulsfolgefrequenz die Impulsbreite regelt, oder aber unter Konstanthaltung der Impulsbreite die Impulsfolgefrequenz regelt. Das ist in den Figuren 6 oder 7 gezeigt, die den Ausgang der Umkehrstufe 30 darstellen. Man kann auch sowohl die Impulsbreite als auch die Impulswiederholungsfrequenz ändern, um einen möglichst hohen Grad von Impulsformänderungen für die vorbestimmte Form des Schweiß- oder Verbrau-

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cherimpulses zu erzielen. Jeder Schweiß- oder Verbraucherimpuls ist das Ergebnis einer Anzahl von Impulsen hoher Folgefrequenz. So ist ein vollständiger Verbraucherimpuls, wie er in Figur 8 zu sehen ist, das Ergebnis von wesentlich mehr Einzelimpulsen, als in den Figuren 6 oder 7 aufgezeigt sind. Die Amplitude am Punkt 34 jedoch setzt sich aus dem Mittelwert der ersten Impulsgruppe in Figur 6 oder 7 zusammen, während die Amplitude am Punkt 35 das Ergebnis des Hittelwertes der zweiten Impulsgruppe ist. Die besondere Form des Verbraucherimpulses sowie seine Anstiegs- und Abfallzeiten und auch alle weiteren Übergangsschwankungen hängen von den Bauteilen ab, die in dem Filtemetzwerk verwendet werden, sowie von den Eigenschaften der Impulse mit hoher Impulsfolgefrequenz.

Ein weiteres Verfahren außer Rechteckimpulsen Impulsfolgen anderer Gestalt zu erhalten, besteht darin, die Zeitgebersteuerung von verschiedenen kpannungsquellen zu speisen. Figur 9 zeigt eine solche Schaltung. Die verschiedenen Spannungsquellen sind mit 36, 37 und 38 bezeichnet. Der Schließzeitpunkt der Schalter 39, 4-0 und 41 wird entweder von Hand oder noch besser automatisch gesteuert. Die Öchalterkreise 42 43, und 44 können von der Art sein, wie es in den Figuren 3 und 4 offenbar ist. Der Verbraucher 45 kann die Schweißelektroden und, falls erforderlich, einen Ausgangstransformator enthalten. Diese Schaltung erzeugt Impulsformen, die Abschnitte mit veränderlichen Amplituden enthalten, die durch die Impulsform, die Amplitude und die Polaritäten der nacheinander eingeschalteten Spannungsquellen bestimmt sind. Zu den Schalterkreisen können noch beliebige Filternetzwerke hinzugefügt werden.

Die bisher beschriebenen Verfahren und Apparate zur Impulserzeugung sind alle Gleichstrom-Gleichstrom-Steuerorgane. Ein weiteres Verfahren verwendet eine geeignete Umkehrstufe, um Gleichstrom in einen alternierenden, symmetrischen Rechteckimpulsstrom umzuwandeln. Figur 10 zeigt ein Blockschaltbild dieser Ausführungsform sowie die charakteristischen Impulsformen, die von ihr erzeugt werden. Die Umkehrstufe 46 wandelt

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den eingehenden Gleichstrom In einen alternierenden, symmetrischen Reohteoklmpulsstrom um. Sin phasengesteuert er Wechselstromschalter steuert die Impulsbreite dieses alternierenden, symmetrischen Impulsetromes, der, wenn er einem Ausgangstransforamtor 48 zugeführt wird, die Schweißimpulse von vorbestimmter Höhe erseugt. Sie Regelung der Phase dieser alternierenden, reohteokförmlgen Stromimpulse stellt eine sehr genaue Regelung der Sauer dee Schweißimpulses dar. Diese hohe Regelgenauigkeit 1st Im Falle eines Wechselstromschweißapparates (Sinuswellensohweißapparates) nicht möglich, da die Regelung der Phase im fall· einer Sinuewelle wesentlich kritischer ist. Die Amplitude läßt eich dadurch regeln, daß nan die Anzapfung am Transformator ändert· Ebenfalls ist eine elektronische Steuerung dor CKLelohepannung möglich, und zwar entweder durch eine gesteuerte Gleichstromquelle oder durch Segeleinrichtungen innerhalb der Umkehrstufe selbst.

Zur Breeugung eines alternierenden Rechteckimpulsstromes aus einer Gleichstromquelle läßt sich auch ein anderes Verfahren verwenden· -Durch die Verwendung einer geeigneten Umkehrstufe wird ein alternierender Impulsstrom direkt ohne Phasensteuerung erzeugt, indem die Impulsfolgefrequenz und die Impulsbreiten unabhängig voneinander eingestellt werden können. Dadurch wird eine Folge von abwechselnd positiven und negativen Impulsen erzeugt, deren Impulsbreite und Impulsabstand sich regeln lassen· Darüber hinaus ist es möglich, unsymmetrische Impulszüge BU erzeugen, in denen sich von Impuls zu Impuls die Impulsbreiten und der Impulsabstand gemeinsam oder für sich alleine ändern. Figur 11 zeigt eine Anordnung aus vier gesteuerten ^lelohrichterechalterkreisen, 49, 50, 51, 52, die diese unsymmetrische Impulsfolge erzeugt, wie sie durch die Impulsform an den Schweißelektroden 53 dargestellt ist. In dieser AusfUhrungsform geschieht das Schweißen während der Dauer des längeren positiven Impulses, während innerhalb des kürzeren, negativen Impulses, innerhalb dessen die Elektroden keinen nennenswerten Strom ziehen, die Elektroden gereinigt werden. Figur 12 zeigt eine Anordnung aus zwei gesteuerten Gieichrieh-

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terschalterkreisen 54, 55, die von Gleichstromquellen 56, 57 gespeist wird und zuerst einen Impuls zug hoher Folgefrequenz der einen Polarität und anschließend einen solchen Impulszug der anderen Polarität erzeugt, wie es durch die Impulsformen an den Schweißelektroden 58 gezeigt ist. Der Impuls 59, der als gebrochene Linie gezeigt ist, stellt die Impulsform eines äquivalenten Einzelschweißimpulses dar und entspricht dem tatsächlichen Schweißstromimpuls, wenn ein geeignetes Filternetzwerk verwendet wird. Erhöht man die Folgefrequenz oder die Breite der hochfrequenten Impulsfolge, so erhält man einen größeren Schweißimpuls, wie durch die Impulsform 60 angezeigt ist.

Figur 13 zeigt eine typischeWiderstandspunktschweißung, die mit dem Impulsschweißverfahren nach dieser Erfindung hergestellt worden ist. Wie man sieht, unterscheiden sich die Strukturen von Figur 1 und Figur 13 ziemlich stark» Die vergrößerte Ansicht des Gebietes, auf das der Pfeil 161 in Figur 13 hinweist und die in Figur 14 dargestellt ist, zeigt eine Struktur, in der keinerlei Schmelzen stattgefunden hat und in der irgendwie angeschmolzenes oder gesintertes Metall völlig fehlt. Anstelle davon zeigt sie eine Festkörperschweißstelle, bei der eine Diffusion beziehungsweise ein Kornwachstum über die Berührungsfläche hinweg stattgefunden hat, und das sogar am äußeren Umfang der Schweißstelle. Daherseichnet sich diese Schweißung aus ihrer Natur heraus durch eine große Schweißfesti,;*i:eit ?.us. Ebenso fehlen auf oeiden Oberflächen jegliche Vertiefungen, was der Satsache zuzuschreiben ist, daß nur ein niedrigerer Sehweißdruck erforderlich ist. Die Schweißzeit betrug bei dieser Öchweißung insgesamt 29 Millisekunden, von denen 8 Killisekunden lang aufgeheizt wurde. Die kurzen Impulse erhöhen die Temperatur ar: der Verbindungsstelle, um die -diffusion zu beschleunigen, rufen jedoch aufgrund der genauen und reproduzierbaren Steuerung von Afheiz- und Abkühlperioden keinerlei Schmelzen hervor.

üine Schweißung, die man mit iiochstromimpulsen kurzer Dauer herstellt, besitzt nocii weitere wünschenswerte Eigenschaften»

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So ist beispielsweise die Zone, die durch die Wärme beeinflußt wird, sehr schmal. Daraus ergibt sich, daß die Abmessungen der geschweißten Zone in den Fällen, in denen Leitungsdrähte oder Drähte über Kreuz verschweißt werden sollen, nur außerordentlich wenig zunimmt und die metallurgische Struktur dicht neben der Schweißschicht nur wenig geändert wird.

Eine weitere günstige β Eigenschaft, die man erhält, ist die folgende: Will man Metalle guter elektrischer und g« guter Wärmeleitfähigkeit zusammenschweißen, wie beispielsweise Silber, Aluminium oder Kupfer, so treten aufgrund dieser guten Leitfähigkeit schwierige Probleme auf. Durch die Anwendung kurzer Hochstromimpulse können diese Probleme auf ein Mindestmaß zurückgeführt werden, da die Schweißung bereits fertiggestellt werden kann, bevor die Wärmeableitung durch die Teile hindurch die Schweißzone beeinflussen kann·

Ebenso können Materialien von hohem Schmelzpunkt sowie hitzebeständige Materialien gegenseitig oder mit Materialien mit niedrigerem Schmelzpunkt verschweißt werden, da die Stromdichte in der Schweißzwischenschicht sehr hoch ist. Diese Schweißung kann direkt durchgeführt werden. Man kann aber auch in die Zwischenschicht ein weiteres Metall einfügen, um eine Diffusion zu unterstützen. Ebenso ist es möglich, bei dem Verschweißen von leicht oxydierbarem, hitzebeständigem Metall auf die Verwendung einer Schutzgasatmosphäre zu verzichten.

Außerdem lassen sich die Stromimpulsevon außen selbst während des Ablaufs des Schweißprozesses durch eine Gegenkopplung oder eine Programmierung beeinflussen. Dadurch lassen sich die Schweißungen reproduzieren, selbst wenn sich die Eigenschaften der Materialien, die innerhalb des ü'ertigungsprozesses verschweißt werden sollen, stark ändern.

Die folgenden Materialien sind nach dem neuen Impulsschweißverfahren mit Erfolg stumpf zusammengeschweißt worden.

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1) 0,020 Cu mit 0,020 Cu

2) 0,020 Ni mit 0,016 Dumet (TSSB)

3) 0,016 Gurnet (UIiB) mit 0,016" Messing

4) 0,020 Ni mit 0,020 Mo

5) 0,020 Ni mit 0,020 Ni

6) 0,016 Dumet (UBB) mit 0,025 Fe (KP)

Das Zusammenschweißen der Materialien der Nummern 1, 3» 4- und 5 mit normalen Methoden wird als besonders schwierig betrachtet. Der Erfolg der obenstehenden Versuche erlaubt durch die Verwendung dieses neuen ImpulsSchweißverfahrens eine beträchtliche Erweiterung der heutigen Schweißmöglichkeiten. Es ist besonders beim Zusammenschweißen von Materialien mit geringer Wärmekapazität nützlich, Dieses neue und verbesserte riehweißverfahren sowie die dazugehörige Anlage ist nicht auf Widerstandsschweißen beschränkt, sondern kann auch im lichtbogenschweißen, Schlagschweißen und Ultraschallschweißen verwendet werden. Im Falle des Schlag- und des Lichtbogenschweißens tritt normalerweise das Problem auf, zur Zündung des -oogens eine hohe Spannung zu erhalten. Dieses Problem kann mit dem Impulsschweißverfahren dieser Erfindung einfach gelöst werden· Die große Spannungsänderung, die zum Zünden des Bogens erforderlich ist, erhält man durch das Einstellen der Amplitude der Vorderkante des Stromimpulses, um dem Schweißvorgang die Eigenschaften zu geben, die er benötigt·

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die Erfindung ein neues und besseres Schweißverfahren möglich macht, das durch die Verwendung einer neuen Schweißimpulsstromversorgung, die gesteuerte Siliziumgleichrichter verwendet, für genaue und reproduzierbare Rechteckstromimpulse Vorsorge trifft, die hinsichtlich ihrer Amplitude, .breite, ihrer Zahl sowie ihres Abstandes einstellbar sind, sowie für eine elektronische Gegenkopplung, durch die die Schweißqualität automatisch überwacht werden kann. Diese Stromimpulse machen eine genaue und reproduzierbare Steuerung der Aufheiz- und Abkühlperioden möglich, die erforderlich sind, um gleichartige und ungleicharti-

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ge sowie hitzebeetändige Metalle zu verschweißen. Diese genaue und reproduzierbare Stromsteuerung ist besonders dann wichtig, wenn eine Diffusionsverbindung erreicht werden soll oder wenn sehr dünne Metall-und Sub-Miniaturkomponenten verschweißt werden sollen·

Duron die Verwendung der gesteuerten Siliziumgleichrichter kön nen Binseletroaimpulse oder auch Stromimpulszüge erzeugt wer den, die auf besondere Laertbedingungen hinsichtlich ihrer Brei te, ihres Abetandee sowie ihrer Zahl und selbst hinsichtlich ihrer Amplitude einstellbar sind, sofern die Versorgungsspannung alt irgend einer der bekannten Maßnahmen einstellbar ge macht wird· Die Verwendung von gesteuerten Siliziumgleichrichtern, die yon ihrer Natur her stabiler als die Kondensatoren sind, die bei einer Kondensatorentladungeschweißung verwendet werden, gestattet es, sehr genau wiederholbare Stromimpulse zu erzielen, wodurch sich Schweißungen überlegener Qualität erge ben. Weiterhin erlau/ben die Sehalteigenschaften der gesteuerten Siliciumgleichrichter Stromimpulse zu erzeugen, die schmaler als 8 Millisekunden sind (60 Hz), ein Ergebnis, das sich mit einer normalen Wechselstrom-(Sinuewellen)-Schweißanlage ohne Amplitudenverlust nicht erreichen läßt. Außerdem ist in dieser Erfindung die Zahl der Impulse von der Frequenz der Stromver sorgung unabhängig, wie es bei Wechselstromschweißanlagen nicht der Fall 1st. Die Zahl der Impulse wird in dieser Erfin dung durch einen neuartigen Impulszähler gesteuert, der einen Unijunktion-Traneistor verwendet, der es gestattet, eine sehr genaue Impulezählung durchzuführen, woraus sich Schweißungen überlegener Qualität ergeben. Der Zeiteinsatz des Impulses wird durch einen neuartigen Impulszeitgeber gesteuert, der den einen Kipposzillator mit einem Unijunktiontransistor verwendet, Ferner erlaubt die Maßnahme in der Vielfachimpulsstrom- ' vex>8O$ung der Schaltung, durch die der oszillierende Strom nicht mehr von demjenigen ^Gleichrichter geführt wird, der den Laststrom steuert, eine bessere Ausnutzung der Strombelastung dieses Gleichrichters. Diese Schaltung kann offensichtlich auch in einer Einzelimpulsstromversorgung verwendet werden.

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Es sind ein neues und verbessertes SehweiBveavfahren und eine Stromversorgung in Übereinstimmung mit der Erfindung beschrieben worden. Offensichtlich sind andere Abwandlungen und Änderungen innerhalb der Lehren der Erfindung möglich. Es ist beispielsweise nicht notwendig, daß die gesteuerten Gleichrichter nur durch ein einziges Signal an ihrer Steuerelektrode erregt werden ο Es ist daher auch eine Vielfachsignals teuerung möglich, die auch gegengekoppelte Regelsignale enthalten können. Ebenso können die gesteuerten Gleichrichter auch durch andere Verfahren als durch einen elektrischen Vorgang an der Steuerelektrode erregt werden. Ein Beispiel dafür ist die Erregung durch Lichtimpulse. Weiterhin können anstelle von Unijunktion-Transistoren andere Bauelemente verwendet werden, die eine ähnliche Strom-Spannungs-Kennlinie wie die Unijunktion-Iransistoren besitzen, also beispielsweise [Tunneldioden oder Gasentladungsröhren. Ebenso können andere Schalteranordnungen anstelle der hier offenbarten gekapselten Zungenschalter verwendet werden, wie beispielsweise Relais, Halbleiter und Photowiderstände. D$e Erfindung ist nicht auf Schweißstronrversorgungen beschränkt, sie kann vielmehr überall dort mit Vorzug verwendet werden, wo Stromimpulse als Energiequelle bevorzugt werden. Weiterhin ist es durch eine einfache Abwandlung der Impulszeitgeberschaltungen möglich, eine Programmsteuerung der Impulsbreiten und der Impulsabstände durchzuführen. Wie zusätzlich besonders herausgestellt wurde, kann die Schweißstromimpulsversorgung abgeändert oder durch eine andere Stromversorgung ersetzt werden, um zusätzlich/ zu rechteckigen Impulsen Schweißimpulse von vorbestirnmter, gewünschter Impulsform zu erhalten, um einen beliebigen, gewünschten Verlauf des Schweißvorganges zu erreichen, der für eine besondere Schweißung erforderlich ist. Ebenso sind noch zahlreiche andere Anordnungen von einigen gesteuerten Gleichrichterschaltkreisen möglich, wie sie in den Figuren 9, 11 und 12 offenbart sind.

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Claims (25)

1. - 25 Patentansprüche

   1* Verfahren zum Verschweißen von Materialien, nach dem durch die zu verschweißenden Materialien ein elektrischer Strom fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energie, die durch die Materialien fließt, zur Regelung des Energiebeträges in einzelnen, kurzen Impulsen zugeführt wird, und daß die Höhe und Dauer jedes einzelnen Impulses sowie der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen geändert wird, um die Materialien an einer Verbindungsstelle zu vereinigen, ohne die Materialien zu schmelzen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Materialien Metallstücke sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer und die Gröi3e jedes einzelnen Impulses sowie der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen einzeln und unabhängig voneinander veränderlich sind, wodurch zwischen den Metallen eine Diffusionsverbindung hergestellt wird, ohne daß die Metalle geschmolzen werden.
3. 3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst rechteckige Stromimpulse erzeugt werden, daß anschließend die Länge, der Abstand und die Zahl dieser Rechteckimpulse gesteuert werden, um einen Schweißstromimpuls zu bilden, dessen Form im voraus vorgegeben istvund daß schließlich der ochweißstromimpuls den zu verschweißenden Metallstücken durch Schweißelektroden zugeführt und das Maß des Aufheizens und Abkühlens der zu verschweißenden Metallstücke genau gesteuert wird, so daß das Metall nur innerhalb einer schmalen Zone erhitzt und eine !Schweißstelle erzeugt wird, bei der die metallurgische Struktur dicht neben der Schweißzon^e so wenig wie möglich geändert wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnete!, daß der Verfahrensschritt der steuerung von Dauer, Abstand und Zahl der Rechteckimpulse immer, auch während des öchweißvorganges selbst, die Anwendung einer äuße-

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   ren Gegenkopplungsregelung und einer Programmsteuerung enthält, wodurch reproduzierbare Schweißungen erzeugt werden, auch wenn sich die Eigenschaften &β*~ zu verschweißenden Materialien stark ändern.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 3»oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß auf die Schweißelektroden nur ein niedriger Schweißdruck ausgeübt wird, während der Schweißimpuls durch die Elektroden zugeführt wird, wodurch die Ausbildung von Vertiefungen auf der Oberfläche des verschweißtennaterials verhindert wird.
6. 6. Verfahren nach Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß jeder stromimpuls aus einem oder mehreren Rechteckimpulsen gebildet wird, daß ferner die Schweißstromimpulse allgemein rechteckige Form haben und daß aufeinanderfolgende Schweißstromimpulse bevorzugt die gleiche Form besitzen und aus der gleichen Anzahl von Rechteckimpulsen gebildet sind.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Verfahrensschritt zur Bildung des Schweißstromimpulses die Erzeugung eines einzelnen Schweißstromimpulses aus einem einzelnen Rechteckimpuls enthält, und daß die Länge des so erzeugten einzelnen Schweißstromimpulses für hohe Ströme bis hinunter zu 25 MikroSekunden und für niedrige Ströme bis hinunter zu einer Mikrosekunde gesteuert werden kann.
8. 8β Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, etbesonders zum Verschweißen von Metallen mit niedriger Wärmekapazität, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugungsfrequenz der Rechteckimpulse konstant gehalten wird, während die Impulsbreite geändert wird.
9. 9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Rechteckimpulse konstant gehalten und ihre i-'requenz geändert wird.

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10. 10. Verfahren nach Ansprüchen 3 und 5, besonders zum Verschweiesen gut leitender Metalle, dadurch gekennzeichne t, daß der Schweissstromimpuls aus einer festen Anzahl von Rechteckimpulsen vorgegebener Polarität gebildet wird, die durch ein Filternetzwerk hindurohgeechickt werden, und daß der SchweissVorgang beendet ist, bevor die Wärmeleitung durch die verschweissten Materialien die Schweisszone nachteilig beeinflussen kann, wodurch die Probleme, die beim Verschweissen gut leitender Metalle aufgrund der guten thermischen und elektrischen Leitfähigkeit auftreten, auf ein Mindestmass zurückgeführt werden.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 3 und 8, besonders zum Verschweiseen von Materialien mit hohem Schmelzpunkt oder von hitzebeständigen Materialien^' dadurch gekennzeichnet, daß bipolare, rechteckförmige Hoohetromimpulse von kurzer Dauer erzeugt werden, und daß diese Impulse durch ein geeignetes Hetzwerk hindurch- gevchickt werden, um einen bipolaren Hochstromschweissimpuls vorgegebener Gestalt zu formen, wodurch eine hohe Unergie- diohte in der Schweiseschicht entwickelt wird, um die Schweissung durohzufuhren.
12. 12. Schweissapparat zur Ausführung des SchweissVerfahrens nach Anspruch 1, der eine Stromversorgung für die Schweisselektroden enthält, dadurch gekenn zeichnet, daß die Stromversorgung eine Steuervorrichtung enthält, die einzelne, kurze Schveissstromimpulse erzeugt, deren Dauer, Höhe und Wiederholungsfrequenz unabhängig voneinander veränderlich sind, wodurch die den Elektroden zugeführte Energie genau eingestellt werden kann, um eine Schweissung ohne ein Schmelzen des Materials durch zuführen·

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13. 13. Schweissapparat nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung zwei abwechselnd leitende Halbleiterbauelemente enthält, von denen nur eines im leitenden Zustand die Elektroden mit Strom versorgt, und daß eine Zeitgebervorrichtung mit den Elektroden verbunden ist, die den Zeitpunkt steuert, an dem das andere Halbleiterbauelement leitend wird, wodurch die Zeitgebervorrichtung die Breite des Stromimpulses steuert, sowie der Stromimpuls an die Elektroden angelegt ist.
14. 14. Schweissapparat nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung eine Vorrichtung zur Erzeugung von Impulsen veränderlicher Breite enthält.
15. 15. Schwelssapparat nach Ansprüchen 12 - 14, i in dem die Stromversorgung mit Gleichspannung betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauelemente gesteuerte Gleichrichter sind, daß nach der Auslösung der Stromversorgung mindestens einer der Gleichrichter sich in seinem leitenden Zustand befindet, daß ferner die Gleichrichter mit-einander in einem Schalterkreis verbunden sind, wodurch das Leitendwerden des einen Gleichrichters die Versorgungsspannung an einen Ausgangskreis schaltet und einen Stromimpuls auslöst und das Leitendwerden des zweiten Gleichrichters die Versorgungsspannung über den ersten Gleichrichter schaltet und dadurch den Stromimpuls beendet, daß weiterhin die Zeitgebervorrichtung eine Impulsbreitenzeitireberschaltung enthält, die die Schaltvorgänge derart steuert, daß die zeitliehe Breitensteuerung des Stromimpulses in dem Augenblick beginn,t in däm die Versorgung spannung an den Ausg£.ngskreis geschaltet ist, und daß die Schv/eisselektroden mit dem Ausgangskreis verbunden sind.

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16. 16. Schwelesapparat nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem Schliessen des Steuerkontaktes, der mit dem Schalterkreis verbunden ist, ein Stromimpuls erzeugt wird.
17. 17· Schweissapparat nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zeitgeberschaltung ein Überlastschalter vorhanden ist, der seine Kontakte bei einem zu hohen Leitungsstrom öffnet, und daß die Kontakte in Serie mit einer Spule in diesem Überlastschalter liegen, wodurch das öffnen der Kontakte einen Stromimpuls erzeugt, der den zweiten Gleichrichter leitend macht.
18. 18. Schweissapparat nach Ansprüchen 15-17, da durch gekennzeichnet, daß eine Impulsabstandszeitgeberschaltung vorgesehen ist, deren Punktion durch das Anschalten der Versorgungsspannung an den ersten Gleichrichter ausgelöst wird, und die so geschaltet ist, daß sie den ersten Gleichrichter am Ende eines einstellbaren Vorwahlzeitintervalls leitend macht, . wodurch die Versorgungsspannung wieder an den Ausgangskreis geschaltet und ein zweiter Impuls ausgelöst und wird und der Schaltvorgang solange forgesetzt wird, bis eine vorgewählte Anzahl von Stromimpulsen erzeugt worden ist.
19. 19· Schweissapparat nach Anspruch 15 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Impulsabstandszeitgeber als auch der Impulsbreitenzeitgeber einen Kipposzillator enthaltenen dessen Entladungszweig ein Seriennetzwerk aus einer Induktivität und einer Kapazität eingeschaltet ist.

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20. 20. Schweissapparat nach einem oder mehreren der Ansprüche 15-19, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Vorwahlimpulszähler vorhanden ist, der die-Stromimpulse zählt und nach Abzählung der vorgewählten Impulszahl den ersten Gleichrichter am Leitendwerden hindert.
21. 21. Schweissapparat nach Anspruch 20, dad urch gekennzeichnet, daß der Vorwahlimpulszähler ein Halbleiterbauelement enthält, dessen Ausgang an ein stromempfindliches Bauelement gekoppelt ist.
22. 22. Schweissapparat nach Ansprüchen 12-14 und 20 und 21, dadurc h gekennzeichnet, daß ein Vorwahlimpulszähler für bipolare Impulse vorgesehen ist, um eine gewünschte Impulszahl zu zählen, daß dieser Vorwahlimpulszähler ein Halbleiterbauelement enthält, an dessen Eingang ein Speicherkondensator und ein Ladekreis für diesen Kondensator sowie eine Impulsquelle geschaltet ist, daß ferner die Schaltelemente so verbunden sind, daß sie die Zählung bipolarer Impulse erlauben, und daß eine Einrichtung zur Vorwahleinstellung des Speicherkondensators vorhanden ist, um eine gewünschte Impuiszahl zu erhalten und eine Entladung des Speicherkondensators zwischen den Impulsen zu verhindern.
23. 23. Schv/eissapparat nach Anspruch 19 , dadurch gekennze ichnet, daß die Kippdauer des Kipposzillators durch ein YiTiderstands-Kapazitäts-Netzwerk bestimmt ist, und daß $. in den Entladezweig des Kipposzillators eine Impedanz eingeschaltet ist, um die Spannung am Kondensator zwischen zwei Kippschwingungen auf Null zurückzubringen, wodurch die Dauer der ersten Kipp schwingung und die Dauer aller nachfolgenden Kippschwingungen alle gleich lang gemacht werden.

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24. 24. Sohweiesapparat nach Anspruch 23» dadurch

    g β k β nnzeichnet, daß die Impedanz ein Impulstransformator ist, der einen Ausgangsimpuls erzeugt, und dafi über den Kondensator Schaltelemente gelegt sind, die eine umgekehrte Aufladung des Kondensators aufgrund von . Änderungen in den Arbeitsbedingungen dar Schaltung verhindern.
25. 25. Sohweieeapparat nach Anspruch 23, dadurch geke-nnzeiohnet, daß der Kipposziilator einen Unijunktion-Transistor enthält und daß der Kondensator an den Emitter dieses Transistors geschaltet ist.

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