DE1440626A1

DE1440626A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schutzgasschweissen mit Gleichstromlichtbogen

Info

Publication number: DE1440626A1
Application number: DE19611440626
Authority: DE
Inventors: Manz August Frederick
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1960-05-11
Filing date: 1961-05-10
Publication date: 1968-11-28
Also published as: BE603578A; LU40106A1; ES267281A1; US3051828A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Schutzgasschweißen mit Gleichstromlichtbogen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutzgasschweißen mit Gleichstromlichtbogen und fortlaufend zugeführter abschmelzender Elektrode und mit einem parallel zum Lichtbogen liegenden Kondensator. Beim Gleichstromlichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode kann in der Lichtbogenzone ein elektrischer Kurzschluß auftreten. Es ist bekannt, daß es dazu während des Schweißens kommt, wenn ein geschmolzenes Metalltröpfchen gleichzeitig das Schweißbad und die Spitze der abschmelzenden Elektrode berührt. Ein Kurzschluß wird außerdem bei jedem Schweißstart erhalten, wenn die Spitze der abschmelzenden Elektrode das Werkstück berührt, so daß ein Teil der Elektrode in der Lichtbogenzone weggeschmolzen wird. Dies -erzeugt zwischen dem Werkstück und der Elektrodenspitze einen Spalt, an dem sich ein Schweißlichtbogen ausbilden kann. In solchen Fällen unterstützen Schwerkraft, Oberflächenspannung und elektromagnetischer Pincheffekt den Werkstoffübergang von der abschmelzenden Elektrode zum Werkstück. Oberflächenspannung und elektromagnetischer Pincheffekt sind dabei die Hauptfaktoren. Die Bedeutung der Oberflächenspannung für den Übergang eines Tropfens auf eine Flüssigkeitsoberfläche ist allgemein bekannt. Beispielsweise fließt ein Tropfen am Ende eines Tropfenzählers infolge der Oberflächenspannung auf eine Flüssigkeitsoberfläche. Ähnliche Vorgänge treten auf, wenn ein geschmolzenes Metalltröpfchen durch eine Lichtbogenzons hindurch transportiert wird, nachdem es das geschmolzene Schweißbad berührt. In einem solchen Fall spielt jedoch, wie mathematisch. und physikalisch nachgewiesen, zusätzlich die elektromagnetische Pinchwirkung eine Rolle. Ist der Einfluß des elektromagnetischen Pincheffektes nicht vorhanden, ist eine gewisse begrenzte Zeitspanne nötig, um das Flüssigkeitströpfchen von der abschmelzenden Elektrode in das Schweißbad zu transportieren. Ist dabei die Elektrodenvorschubgeschwindi.gkeit zu groß, berührt die nicht geschmolzene Elektrode das Schweißbad vor dem Übergang des Tröpfchens, weil die Übergangsdauer zu lang ist; es kommt zu unregel-' mäßigen Schweißbedingungen. Wirken auf den Werkstoffübergang ausreichend große elektromagnetische Pinchkräfte ein, wird dieser im allgemeinen unerwünschte Zustand weitestgehend vermieden. Durch die den Pincheffekt begleitenden Kräfte läßt sich die begrenzte Zeitspanne des Überganges des Flüssigkeitströpfchens wesentlich verkürzen. Diese Verringerung der Werkstoffübergangszeit bewirkt, daß ein Flüssig <eitströpfchen übergeht, bevor die noch nicht geschmolzene Elekm trode das Schweißbad berührt. Dies führt zu einem vollständigen äbergang des geschmolzenen Metalltröpfchens und zur nachfolgen® 3en Bildung eines Lichtbogenspaltes, über den der Lichtbogen wieier aufgebaut werden kann. Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, in der Lichtbogenzone für eine elektromagnetische Pinchkraft zu sorgen, die ausreichend groß ist, um im wesentlichen zu verhindern, daß die nicht geschmolzene Elektrodenspitze mit dem Schweißbad in Berührung kommt, so daß ein stabilerer Schweißzyklus erhalten wird. Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elek±roden-Vorschubgeschwindigkeit derart eingestellt wird, daß die EIektrodenspitze in rasch aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten das Werkstück berührt, und daß während dieser Berührungszeit der Schweißstrom durch einen Gleichstromschub aus dem Kondensator verstärkt wird, wobei der Kondensator derart auf einem Stromweg hohen Widerstandes aufgeladen und über die Schweißstelle auf einem in einer Richtung verlaufenden Stromweg niedrigen Widerstandes entladen Wird, daß der zum Wiederzünden des Lichtbogens nach jeder Berührung der Elektrode mit dem Werkstück erforderliche Stromfluß aus der Schweißstromquelle nicht beeinträchtigt wird. Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet-, daß der Kondensator in Reihe mit einem Gleichrichter geschaltet und ausschließlich des Gleichrichters über einen Widerstand an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist.
Es ist zwar bereits bekannt, einen Kondensator parallel zum Gleichstromlichtbogen anzuordnen, um einer Verkürzung des Lichtbogens durch Lieferung zusätzlichen Stromes entgegenzuwirken (deutsche Patentschrift 1 014 679). Im Unterschied zum Anmeldungs= gegenstand wird bei dieser bekannten Anordnung jedoch der Konden= sator aus der Schweißstromquelle selbst und unmittelbar (ohne Verzögerungsglieder) aufgeladen. Außerdem soll der Kondensator der Verkürzung des Lichtbogens entgegenwirken, das heißt prak- tisch einen Kurzschluß vermeiden helfen, während beim Anmeldungsgegenstand gerade ein periodischer Kurzschluß Voraussetzung eines vorteilhaften Verfahrensablaufes ist. Wenn auch bei der be- kannten Anordnung durch Verkürzung des Lichtbogens auf das äußer- ste (d. ha Kurzschluß) ein besonders kräftiger zusätzlicher Strom aus dem Kondensator geliefert und damit zwangsläufig auch eine besonders kräftige Pinchwirkung hervorgerufen wird, so' ist dieser Zustand jedoch bei der bekannten Anordnung nicht nur nicht beabsichtigt, sondern soll möglichst verhindert werden; insbe- sondere sind'für den Fall eines Kurzschlusses bei der bekannten Schaltanordnung keine Vorkehrungen getroffen, um einer nachteili- gen Beeinflussung des folgenden Zündstromes vorzubeugen. Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfin- dung ergeben-sich aus der folgenden Erläuterung von Ausführungs- beispielen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.
Es zeigen: Figur 1 ein Schaltbild einer Schweißvorrichtung nach der Er- findung, Figuren 2, 3 und 4 Strom-Zeit-Oazillogramme ohne Kondensator, nur mit Kondensator bzw. gemäß der Erfindung, sowie Figur 5 ein Schaltbild einer abgewandelten Ausführungsform. Figur 1 zeigt eine Gleichetromschweißquelle 1, deren leiter 2 und 3 über ein Kontaktführungsrohr 5 an eine Drahtelektrode 13 bzw. das zu schweißende Werkstück 6 angeschlossen sind. Die Elektrode wird dem Werkstück mittels einer Vorschubeinrichtung 7 mit Motor 8 zugeführt. Schutzgas wird durch eine Düse 9 hindurch zugeleitet, um den Schweißvorgang durch einen ringförmigen Gasstrom zu schützen, während die Elektrodenspitze 4 abschmilzt.
Ein Kondensator 10 sowie ein Einweggleichrichter 12 bilden eine Reihenschaltung 11, die über Leiter 15 und 16 parallel zu der Schweißstromquelle und dem Schweißlichtbogen 14 gelegt ist. Wird derlKondensator 10 auf eine Spannung aufgeladen, die gleich oder kleiner als die Lichtbogenspannung ist, kann er über den Lichtbogen 14 nicht entladen werden. Außerdem kann der Kondensator 10, da der Gleichrichter 12 Strom nur in einer Richtung durchläßt, von der Lichtbogenspannung nicht auf einen höheren Spannungswert aufgeladen werden. Tritt indessen ein Kurzschluß auf, weil die Elektrodenspitze 4 das Schweißbad 17 berührt, nimmt die an der Lichtbogenzone anliegende Spannung auf einen Wert ab, wie er durch das Ohmsche Gesetz bestimmt wird. Beispielsweise beträgt bei einer 0,8 mm dicken, niedrig gekohlten 'Stahlelektrode und einem Strom von 100 A die Spannung an der Kurzschlußstrecke je nach Elektrodenlänge annähernd 2 bis 5 U. Wegen der plötzlichen Abnahme der Spannung an der Lichtbogenzone von der Lichtbogenapannung auf die Kurzschlußspannung entlädt sich der Kondensator 10 über den Kurzschluß und den Gleichrichter 12. Daher wird beim Kurzschließen der von der Schweißstromquelle 1 der Schweißzone zugeführte Strom durch einen Gleichstrom-schub aus dem Kondensator 10 verstärkt. Der Kondensator 10 braucht nur eine so große Kapazität zu haben, daß genügend Strom geliefert wird, um eine Pinchkraft ausreichender Dauer und Größe zu erzeugen, so daß der Übergang des Tröpfchens vollzogen ist, bevor die nicht-geschmolzene Elektrode in das Schweißbad'eintaucht. Wenn der Lichtbogenspalt wieder gebildet ist und die Schweißstromquelle 1 einen neuen Lichtbogen zu zünden versucht, würde bei Fehlen des Einweggleichrichters 12 der Kondensator 10 die von der Schweißstromquelle abgegebene Blektrische Energie aufzunehmen suchen und die Zündung des Licht® Rogens verhindern. Da der Einweggleichrichter aber mit dem Kondensator in Reihe liegt und der Strom in der Reihenschaltung 11 nur in einer Richtung fließen kann, wird eine solche Löschwir-<ung des Kondensators praktisch unterbunden. Sei dem üblichen Schweißlichtbogen mit Sprühregenübergang tritt Bin Kurzschluß für gewöhnlich nur beim Start ein. Demzufolge ist Bs nur notwendig, daß der Kondensator für diese Kurzschlußent-Ladung geladen wird. Beim Kurzlichtbogenschweißen mit Kurzschluß-3bergang des Werkstoffes, w® der Kurzschluß-Zünd-Zyklus viele aale pro Sekunden wiederholt wird, ist dies jedoch nicht der Ball. Deshalb wird eine Hilfestromquelle benötigt, um den ent-Ladenen Kondensator 10 zu laden. Dies geschieht, indem eine zweite Gleichstromquelle 18 über einen einstellbaren Widerstand 20 inmittelbar an den Kondensator 10 angeschlossen wird. Diese ;leichstromquelle 18 hat zweckmäßig eine Leerlaufspannung, dieiicht größer als das kleinste bogenbildende Potential für steigen Zustand ist, Dadurch wird verhindert, daß die Gleichstromluelle 18 Lichtbogenleistung über den Gleichrichter liefert. Zum lufledan des Kondarrsator® ist dann keine leichstromquelle mit rohem Strom und höher Solleistung erforderliche Beim Schweißen mit kurzem Lichtbogen und Kurzschlußübergang des Werkstoffes kann es vorkommen, daß die Schweißstromquelle keine ausreichende elektromagnetische Pinchkraft entstehen läßt, um die Oberflächenepannung bei der Herstellung eines stabilen Arbeitszyklus.genügend zu unterstützen. Dies geschieht jedoch bei dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung.

Versuche zeigen, daß bei einem geschmolzenen zylindrischen Leiter die anfängliche Pinchkraft Fp = I2/200 ist, wobei I der im Lei- ter fließende Strom ist. Bei demselben geschmolzenen Leiter ist die Oberfl,ächsnspannungskraft F8 = 21frS, wobei r der Radius des Zylinders und S die Oberflächenspannung sind. Wird die Pinchkraft Fp der Oberflächenspannungskraft F, gleichgesetzt, ist es möglich, den Strom zu bestimmen, der notwendig ist, um eine sol- che Einschnürung des geschmolzenen Leiters hervorzurufen, daß das geschmolzene Tröpfchen unterhalb der Pinchzone zum Schweißbad übergeht. Im allgemeinen ist I = (4007TrS)1/2 . Für Draht mit einem Radius von 0,4 mm läßt sich der Strom .I, der zum Uberschreitsn der Oberflächenspannung S erforderlich ist, durch die folgende Gleichung finden: I = 7,1 S1/2, wobei S in dyn/cm gemessen wird. In der untenstehenden Tabelle sind die Ströme angegeben, die mit Hilfe dieser Gleichung für verschie- dene Werkstoffe bestimmt wurden.

Werkstoff Strom in A

Aluminium 162

Guaeisen 215

Fsrrosilizium 241

Eisen mit 2,2 % Kohlenstoff 275

Eisen mit 3,9 x Kohlenstoff 240

Es zeigt .sich, daß der Strom in der Größenordnung von 200 A ±= 50 A liegt. Berücksichtigt man, daß ein Draht mit einem Durchmesser von 0,8 mm einen Schweißstrom von annähernd hfl A erfordert, leuchtet ein, daß dem Strom aus der Schweißstromquelle ein Strom überlagert werden muß, um einen Gesamtstrom von 200 A + 50 A zu erzeugen. Der Wert der Kapazität C läßt sich wie folgt bestimmen: Es ist

C = T/R wobei T die durchschnittliche Dauer.des Kurz-

' achlusses in Sekunden und

R den Widerstand-das Kondensatorentlade-

kreises einschließlich der Kurzachluß-

strecke

bedeuten. Wenn z. B. T = 0,0015 sec und R = 0,04t3: ist, erhält man für C = 0,0015/0,04 = 0,037 F. Weiteres Beispiel: T = 0,001 sec, R _ 0,02f!. C = 0,001/0,02 = 0,05 F Die Schaltanordnung kann beispielsweise wie folgt ausgelegt werden: - -,

Kondensator 10 0,046 F für 20 bis 30 U Arbeitsgleich-

spannung

Gleichrichter 12 ausgelegt für 100 A Gleichstrom und 52 U

Gleichspannung,

Widerstand 20 5,a und 25 W,

Gleichstromquelle18 12 U Leerlaufspannung.

Kurzlichtbogenschweißbedingungen wurden dadurch hergestellt, daß eine übliche Konstantspannungs-Gleichstromscheeißquelle mit ein- stellbarer Kennliniensteigung auf maximale Steigung eingestellt und zusammen mit einer Kurzlichtbogen-Schweißvorrichtung verwen- det wurde, um eine _Flußstahlplatte zu schweißen, wobei eine nied- rig gekohlte Stahldrahtelektrode von 0,8 mm Durchmesser und ein Schutzgas aus 25 % C02 und 75 % Argon in einer Menge von 0,424 m 3/h benutzt wurden. Ohne die Bogenstabilisiereinrichtung nach der Er- findung wurde eine Kurzlichtbogenschweißung mit Grenzstabilität (wobei die ungeschmolzene Elektrodenspitze das Werkstück intermittierend berührt) ausgewählt. Wurde die Bogenstabilisierung nach . der Erfindung angewendet, wurden Stromschübe von annähernd 100 bis 150 A während der Kurzschlußzeitdauern überlagert. Sofort war eine bessere Bogenstabilität erkennbar. Die Kurven 22 und 24 der Oszillogramme nach Figuren 2 und 4 sind Strom-Zeit-Diagramme ohne und mit Zuschaltung der Lichtbogenstabilisierung. Das Oszillogramm nach Figur 2 zeigt die Strom-Zeit-Kennlinie 22 der Kurz -lichtbogenscheeißung mit Grenzstabilität. Bemerkenswert ist die niedrige Größe der Stromspitzen verglichen mit der des Oszillogramms der Figur 4, das die Strom-Zeit-Kennlinie 24 veranschau- licht, wenn die Bogenstabilisierung zugeschaltet ist. Bei dem Oszillogramm der Figur 4 wurden durch die Stabilisierungsschal- tung Stromimpulse eingespeist, die genügend groß waren, um eine Gesamtstromspitze von mindestens dem doppelten Wert verglichen mit den Spitzen des Gszillogramma der Figur 2 zu erzeugen.

Bei der Anordnung nach Figur 5 enthält der Kondensator-Gleichrichter-Kreie 26 einen einstellbaren Widerstand 28, der dem Einweggleichrichter 30 parallelgeschaltet ist, so daß der Konden- sator 32 durch die Schweißstromquelle in einem durch diesen Widerstandbestimmten Zeitintervall aufgeladen wird, ohne daß dadurch die Entladung des Kondensators 32 gestört wird

Claims

A n a p r ü c h e Verfahren zum Schutzgaeschweißen mit Gleichstromlichtbogen und fortlaufend zugeführter abschmelzender Elektrode und mit einem parallel zum Lichtbogen liegenden Kondensator, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden-Vorschubgeschwindigkeit derart eingestellt wird, daß die Elektrodenspitze (4) in rasch aüfeinanderfolgenden Zeitabschnitten das Werkstück (17) berührt, und daß während dieser Berührungszeit der Schweißstrom durch einen Gleichstromschub aus dem Kondensator (10, 32) verstärkt wird, wobei der Kondensator derart auf einem Stromweg hohen Widerstandes (20, 28) aufgeladen und über die Schweißstelle (4, 17) auf einem in einer Richtung verlaufenden Stromweg niedrigen Widerstandes (12, 30) entladen wird, daß der zum Wiederzünden des Lichtbogens (14) nach jeder Berührung der Elektrode (4) mit dem Werkstück (17) erforderliche Stromfluß aus der Schweißstromquelle (1) nicht beeinträchtigt wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (10, 32) in Rei- he mit einem Gleichrichter (12, 30) geschaltet und ausachließhich des Gleichrichters über einen Widerstand (20, 28) an eine Gleichstromquelle (18, 15/16/1) angeschlossen ist (Figuren 1 und 5). 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (10) über einen einstellbaren Widerstand (20) an eine-gesonderte Gleichstromqualle (18) angeschlossen ist (Figur 1). 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gesonderte Gleichstromquelle (18) eine Leerlaufspannung hat, die nicht größer als das kleinste bogenbildende Potential für stetigen Zustand ist. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (32) über einen.einstellbaren Widerstand (28), der im Nebenschluß zum Gleichrichter (38) liegt, an die Schweißstromquelle (15/16/1) angeschlossen-ist (Figur 5).