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Verfahren und Vorrichtung zum Metall-Lichtbogenschweißen bei im Stromkreis
liagendƒti Werkstück Die vorliegende Erfindung betrifft Stromquellen für
Meteü.-Lichtbogenschweißverfehren und insbesondere Verbesserungen beim Lichtbogenschweißen
mit Werkstoffübergang unter Kurzschlußbildung.
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Einer der Nachteile bekannter Schweißverfahren mit Abschmslzelektrode
ist die Bildung von Schweißspritzern. Ein erheblicher Anteil der Spritzer wird während
des Kurzschluß-Werkstoffübergangs durch die elektromagnetischen Pinch-Erfekte
erzeugt, die auf die flüssige Metallbrücke zwischen der
Elektrode
und dem W®rkstück einwirken. Der eiektromagnatio sche Pinch-Effekt
ist eine Folge des in dar flüssigen Metall-
brücke Fließenden
Stroms. Die entwickelten Spritzer sammeln
sich auf dem Schweißbrenner
und des Werkstück an und führen
zu Schwierigkeiten
bei der Brennerkonstruktion, zu Reinigungs-
problemen und erhöhten
Betriebskosten.
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Es wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, Schweißeinrichtungen
zu entwickeln, diel bei Vorhandensein von Schweißspritzern arbeiten. mittel und
Maßnahmen, die zu einer Verringerung der durch die elektromagnetischen Pinch-Effekte
während den Kurzachlußübergangs erzeugten Menge: an Spritzern führen, würden infolgedessen
die Probleme bei der Auslegung der Schweißeinrichtungen veraini':c:s@ac@ und
die Betriebskosten verringern.
Zeitdehneraufnahmen
zeigen, daß beim Werkstoffübergang unter
Kurzschlußbildung
die meisten Spritzer während der Kurz-
schlußübergangsperiode erzeugt
worden. Wenn die Pinch-Kraft groß ist und rasch angelegt bzw. aufgebaut
wird, wird eine
erhebliche Menge an Spritzern hervorgerufen. Im allgemeinen
sind herkömmliche Stromquallen zufriedenstellend für die
Beherrschung
der Größe der Pinch-Kreft und der Pinch-Geschwindigkeit für einen
Kurzschlußübergang bei Strümen unter 300 A.
Wenn der normale
(stationäre) Schweißstrom jedoch 306A Übersteigt, werden Spritzer
erzeugt,@weil der Pinch-Effekt zu
groß ist und durch Steuerung der
Pinch-Gescheindigkeit nicht
bedeutend vermindert werden kann. Der
Wert von 300 A steilt einen in gewissem Maße willkürlichen
Wert der. Er schwankt je nach den Schweißbedingungen, dem Werkstoff
usw., um bis
zu 50 A. Es liegt jedoch ein Strom vor, oberhalb
dessen
Spritzer nur infolge der Größe der Pinch-Kraft erzeugt wer-
den
und die nicht durch Steuerung der Anlegegeschwindigkeit der Pinch-Kräfte
vermindert werden können.
Beim Schweißen mit bekannten Stromquellen
führt ein Kurz-
schlußübergang im allgemeinen zu einer Steigerung der Strom-
amplitude
über den Bogenstrom. Wenn mit Bogenströmen ge-
schweißt wird:
die beispielsweise über 300 A liegen, reicht
der beim Kurzschluß
fließende Strom wehr als aus, um eine
explosionsartige Verdampfung
der #etellbrücke zu bewirken
und Spritzer zu erzeugen. Die Spritzerbildung
würde veruieden, wenn die Pinch-Kraft auf einen Bart
herabgesetzt würde, der unter dem bei 300 A herrschenden Wart
liegt.
Die natürliche Kennlinie bekannter Schweißstromquellen
ver-
hindert, daß der Kurzschlußstron resch unter den dem normalen
Bogenarbeitspegel
entsprechenden Wert herabgesetzt-wird, um
eine Spritzerbildung
zu vermeiden. folglich mepden bei der-
artigen SchmeIUstrom:;uellen
unvermeidbar Spritzer erzeugt,
wann mit verhältnismäßig hohen Strömen
gearbeitet wird
Das ffauptziel der vorliegenden Erfindung
besteht darin, Schaltungsanordnungen zur Lieferung der Bogenleistung beim Lichtbogenschweißen
mit Kurzschlußisbergang zu schaffen, die eine Spritzerhi ldung im wesentlichen vermeiden,
indem der -Kurzschlußübergangsstrom auf einon Wert abgesenkt wird, der unter dem
Bogenstram während jeder Kurzschlußperiode liegt. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren
zum Lichtbogenschweißen mit Wertatoffübergang unter Kurzschlußbildung geschaffen,
bei dem ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer Abschmelzelektrode und einem
Werkstück gebildet und Metall zu dem Werkstück überführt wird, indem die Elektrode
und das Werkstück intermittierend miteinander in Kontakt kommen, mährend durch die
kurzgeschlossene Elektroden-Werkstück-Verbindungsstelle ständig Strom geschickt
wird, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß der durch die Elektroden-Werkstück-Verbindungsstelle
fließende Strom unter den: Wart des Lichtbogenstroms abgesenkt wird, der zwischen
den Kurzschlußperioden auftritt. mit der vorliegenden Erfindung wird ferner eine
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geschaffen,
die eine Stromquelle zur Abgabe eines Lichtbogenschweißstroms an einen Stromkreis
mit einer Abschmelzelektrode und einem Werkstück aufweist, und die dadurch gekennzeichnet
ist, daß die Stromquelle eine derartige Spannungs-Strom-Kennlinie hat, daß der Strompegel
während eines Kurzschlusses unter dem Strompegel zwischen Kurzschlußperioden liegt.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich
aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen.
Fig. 6-8 Spannungs-Strom-Kennlinien zur Erläuterung
der Erfindung, Fig. 9a und 9b typische Lichtbogenstrom-Kennlinien, aufgetragen über
der Zeit, für bekannte Lichtbogenstrornq;jnllen bziu. eine Stromquelle nach der
Erfindung, und Fig. 10 ein @rhaltbild der Spritzern11:euereinhQ.i t nach Fig. 2.
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Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist der Eingang der Spritzersteuereinheit
10 mit einem Droiphesen--Wechselstromanschluß über Leitungen 12, 14 und 16 verbunden.
Der Anschluß weist einen Erdleiter 18 auf. Der Ausgang der Einheit 10 ist seinerseits
mit einer Dreiphasen-Stromquelle 20 über Leitungen 22, 24 und 26 verbunden. Der
Gleichstromausgang der StromQuelle 20 steilt über Leitungen 28 und 30 mit dem Schweißbogen
A zwischen einer Abachmelzelektrode (Drahtelektrode) E und dem Werkstück W sowie
über Rückkopplungsleitungen 32 und 34 mit der Spritzersteuereinheit 10 in Verbindung.
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Bei der Anordnung nach Figur 2 ist der Eingang der Dreiphasen-, Stromquelle
36 unmittelbar mit dem Dreiphasen-Wechselstromanschluß über Leitungen 12, 14 und
16 verbunden. Der Gleichstromausgang ist über Leitungen 38 und 40 mit der Spritzersteuereinheit
42 verbunden, während die Gleichstromausgangsleitungen 44 und 46 über eine Elektrode
(Drahtelektrode) und das Werkstück im Schweißstromkreis mit dem Schweißbogen verbunden
sind. Die im einzelnen in Figur 10 gezeigte Spritzersteuereinheit 42 ist beispielsweise
mit
einem automatischen Schaltkreis 47 versehen, der einen Impulstransformator
49 mit zwei Ausgangswicklungen 51 und 53 sowie einer einzigen Primärwicklung 55
aufweist. Steuerbare Silizium-Gleichrichter 57 und 59 sind derart angeschlossen,
daß sie durch das Ausgangssignal der Wicklungen 51 und 53 gesteuert
werden.
Ein
Stellwiderstan d 69 liegt parallel zu dem Silizium-G1.ezchrichter
59. Ein Widerstand 63 ist mit der Ausgangsle:i "ung 44 und der einen Seite oines
KondennaLƒps 65 Uerbund,-rn, dessep andere Seite '_@ii dio AusgangoleicLing
!, ist.
zu clr3 Polarität isty dia erforde:-@I? ch würde, um den Gleicit2:bc@iiter
57 in Durchlaßrichtunc@ v3..@tispannen. Der normale Laststrom ist gleich
der Ausgangsspan-.
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.nung der Batterie 67 geteilt durch den Lastwiderstand 71. Wenn der
Kurzschlußschalter 73 zur Simulierung einas Lastkurzschlusses geschlossen Wird,
fällt die Spannung am Lastwiderstand 71 und der Wicklung 55 des Transformators 49
rasch auf Null ab, wodurch Ausgangsimpulse erzeugt werden, die gegenüber den anfänglichen
Impulsen entgegengesetzte Polarität haben'. Dadurch Wird der Siliziumgleichrichter
57 entsperrt. Der Kondensator 65 entlädt sich über den Parallelwiderstand 61, wodurch
der Siliziumgleichrichter 59 in Scerrichtuna vornesßannt wird.
Der
über den Schalter 73 fließende Strom ist gleich der Spannung der Batterie 67 geteilt
durch den Widerstand 61, der so ausgelegt is-t, daß der Strom einen Wert annimmt,
der unter dem normalen Laststrom liegt. Wenn der Schaler 73 wieder in die normale
Öffnungsstellutnia i.3etjracht wird, wird der Gleichrichter 59 ontsperrt und kann
-;.ich der Arbeitsvorgang wiederholen. Der Widerstand der Wicklung 55 ist zri hemessen,
daß er über dem Lastwiderstand 71 liegt, um din El c3@.asiunc;:@wirkung der Spule
55 auf den Gesamtstrom kieinstmöglich zu halten. Wird der durch die Leitungen 44
und 46 flinßonde Strom über der Zeit aufgetragen, wird eine Kurve entsprechend Fig.
9b erhalten. Beim Pegel 'l5 hat der Laststrom seinen idormalwsrt und ist der steuerbare
Siliziumgleichrichtor 59 in Durchlaßrichtung vorgespannt; mit dem Pagnl 77 ist ein
niedriger Stromwert auf Grund der Verspannung des Gleichrichters 59 in Sperrrichtung
erreicht. Der Schalter 73 simuliert die Wirkung eines Kurzschlußschweißbogens oder
einer Last, die Kurzschlußbedingungen angenommen hat. Bei der Anordnung nach Figur
3 sind die Eingangeleitungen 12, 14 und 16 mit einem Dreiphasan-Transformator 48
verbunden, dessen Ausgang über Leitungen 50, 52, 54 an die Sprit.-zersteuereinheit
56 angeschlossen ist. Der Ausgang der Einheit 56 ist über Leitungen 58, 60
und 62 mit dem Gleichrichter 64 verbunden, der Gleichstromausgangsleitungen 66 und
68 aufweist. Rückkopplungsleitungen 70 und 72 führen von den Leitungen 66
und 68 zu der Steuereinheit 56. Bei der Anordnung nach Figur 4 sind die Ausgangsleitungen
50, 52 und 54 vom Transformator 48 mit der Kombination 74 aus Spritzersteuereinheit
und Gleichrichter verbunden, die Glbichstromausgangsleitungen 76 und 78 aufweist.
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Bei der Anordnung nach Figur 5 ist die Leitung 12 des Dreiphasen
-Uochselstromanschlusses
unmittelbar mit dem Eingang der Stromquelle E30 verbunden, Während die Leitungen
14 und 16 an den Eingang der Spritzerabschwächungseinheit 82 angeschlossen sind.
Die Einheit 82 ist über Leitungen 84 und 86 mit der StromqunllA 80 verbunden, und
die Gleichstromausgangsl.ei.tungen 08 und 90 der Einheit 80 sind über Rückkopplungsleitungen
E72 Lind 94 an d.t:e Spritzürsteuereinheit angeschlosseno Als Beispiel is=t: i n
Figur 6 die Spannuncfs-Strorn-Kennlinie einer Ausfülirunc;nform einer Stromquelle
nach der Erfindung dargestellt Die Kennlinie A dient der Schaffung des gewünschten
Lichtbogenzzsgtands. Die Kennlinie 8 sorgt für den erforderlichen l(urzsc;filußzust?nd
unter Herabsetzung der Spritzerbildurig.
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Die Spannungs-Strom-Kennlinie einer weiteren Ausführungsform der Stromquelle
ist in Figur 7 wiedergegeben. Die Kennlinie ist rückläufig, so saß der Liehtbogenarbeitspunkt
A auf einem höheren Strompegel als der Kurzschlußstrom-Arbeitspunkt B liegt. Der
Übergang vom Punkt A zum Punkt B muß sehr rasch erfolgen, beispielsweise innerhalb
einer Millisekunde.
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Die Spannungs-Strom-Kennlinie einer weiteren Ausführungsform der Stromquelle
ist in Figur 8 dargestellt, wobei der Lichtbogenarbeitspunkt mit A bezeichnet ist
und der Kurzschlußstrom durch die Lichtbogenzone dem Arbeitspunkt 8 entspricht.
Bei dieser Anlage wird der verbleibende Teil C des Kurzschlußstroms der Anlage mittels
der Schaltvorrichtung über einen der Bogenzone parallelen Weg abgeleitet.
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Alle oben beschriebenen Arten von Stromquellen führen zu einer Strom-Zeit-Kennlinie
ähnlich derjenigen nach Figur 9b. Figur 9a zeigt eine typische Darstellung des Kurzschlußübergangsstroms,
aufgetragen über der Zeit, bei bekannten handelsüblichen Stromquellen. Wie ersichtlich,
wird mit der erfindungs-
gemäßen Stromquelle das Kurzschluß-Lichtbogen-Stromverhältnis
umgekehrt, indem der Strom mährend des Kurzschlußübergangs
auf einen Wert abgesenkt wird, der unterhalb des kri-
tischen Stroms
(z. B. 300 A) liegt. Die Stromquelle nach
der Erfindung beseitigt in
wirksamer Weise eine unerwünsch-
te Spritzerbildung infolge von
starken elektromagnetischen
Pinch-Effekten während des Werkstoffübergangs.