DE1615470C3 - Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen mit periodisch schwingendem Gleichstrom, insbesondere zum Schutzgaslichtbogenschweißen - Google Patents

Description

Sprühregenübergang erzielt wird, bei dem ein Strom von kleinen geschmolzenen Tropfen mit hoher Kraft vom Ende der abschmelzenden Elektrode in axialer Richtung auf das Werkstück geschleudert wird. Durch eine andere Einstellung von Spannung, Induktivität und Widerstand kann auch ein Kurzschluß-Werkstofrübergang erzielt werden, bei dem das Metall von der abschmelzenden Elektrode in das Schweißbad während Zeitspannen übergeht, in denen die Elektrode mit dem Werkstück kurzgeschlossen ist.

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann ferner so eingestellt werden, daß ein Sprühregen-Werkstoffübergang bei niedrigen mittleren Strömen erreicht wird. Ein solcher Werkstoffübergang wurde bisher dadurch erzielt, daß einem zur Aufrechterhaltung eines Lichtbogens gerade ausreichenden Strom diskrete Schweißstromimpulse überlagert wurden, wie dies in Fig. 1 bei der mit »bekannt« bezeichneten Kurve dargestellt ist. Die Impulse reichen von X zu X und von X' zu X'\ zwischen den Impulsen liegt ein Zeitintervall Z. Demgegenüber liefert die Vorrichtung nach der Erfindung einen schwankenden Gleichstrom, dessen Form beispielsweise entsprechend den Kurven 2 bis 8 der F i g. 1 verändert werden kann und bei dem die einzelnen Wellen nicht durch Zwischenräume voneinander getrennt sind, sondern ineinander übergehen. Beispielsweise reicht in Kurve 2 eine Welle von Y bis zu Y; zwischen den einzelnen Wellen ist kein dem Zeitintervall Z entsprechendes Intervall vorhanden. Durch Verstellen der Dorssel und/oder des Widerstandes können Wellenformen erhalten werden, wie sie beispielsweise bei 4, 6 und 8 veranschaulicht sind. Durch Variieren der Wellenform wird die Änderungsgeschwindigkeit des Stroms beeinflußt, was ausgenutzt werden kann, um die dem Werkstück zugeführte Wärme zu steuern. Dies ist von besonderer Bedeutung, da auf diese Weise Schweißverfahren erhalten werden können, bei denen sich der Flüssigkeitsgrad des Schweißbades steuern läßt, indem die Wellenform des dem Schweißbad zugeführten Stroms geändert wird. Davon wurde bisher kein Gebrauch gemacht.

Da ferner die Wellenformen der Kurven 2 bis 8 frei von Unstetigkeiten der Stromänderungsgeschwindigkeit sind, wie sie bei der bekannten Kurve an der Stelle 13 auftreten, brennt der Lichtbogen gleichmäßiger, was zu einer besseren Schweißbadbeeinflussung führt. Es wird auch eine bessere Abschirmung erzielt.

Im praktischen Betrieb wird beispielsweise zweckmäßig zunächst die Leerlaufspannung der Stromquelle gewählt. Sodann wird die Induktivität der Drossel einjustiert, um empirisch bestimmte Schweißbedingungen zu erhalten, die der Schweißer für am günstigsten hält. Gegegebenenfalls kann auch der Widerstand einstellbar gemacht werden; die Einstellung der Schweißbedingungen kann dann mittels Widerstand und Drossel erfolgen. Zwischen der Elektrode und dem Werkstück wird ein Lichtbogen gezündet. Während des Schweißens können weitere Verstellungen vorgenommen werden, um die Vorrichtung entsprechend den Wünschen des Schweißers auf den Lichtbogen abzustimmen. Wünscht der Schweißer z. B. ein flüssigeres Schweißbad, kann der Widerstand verringert oder die Induktivität vergrößert werden, so daß eine stetige Welligkeit entsprechend Kurve 8 erhalten wird. Wünscht der Schweißer umgekehrt ein kälteres oder weniger flüssiges Schweißbad, wird der Widerstand erhöht oder wird die Induktivität verkleinert, so daß eine stetige Welligkeitskurve, z. B. entsprechend der Kurve 2, erhalten wird. Durch Ändern der Wellenform kann also der Flüssigkeitsgrad des Schweißbades leicht beeinflußt werden.

Beim Schweißen mit abschmelzender Elektrode ist es zuweilen wünschenswert, zum Zünden des Lichtbogens einen größeren Strom zu verwenden, als er für den eigentlichen Schweißvorgang erforderlich ist. Für einen solchen Heißstart kann der Widerstand kurzgeschlossen werden. Dies erhöht die Lade- und Entladegeschwindigkeit des Kondensators. Dadurch kann der Kondensator im Bedarfsfall einen für den Zündvorgang günstigen größeren Strom liefern.

Es ist auch möglich, mit dauernd kurzgeschlossenem Widerstand zu schweißen. In einem solchen Falle liefert eine Verstellung der Induktivität zwischen einem Kleinst- und einem Größtwert eine Welligkeit mit einstellbarer Amplitude für das Schweißen mit sprühregenartigem Werkstoffübergang.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, dessen Schaltbild in F i g. 2 gezeigt ist.

Es ist ein Einphasen-Wechselstromtransformatorl vorgesehen, der an eine Einphasen-Wechselstromquelle angeschlossen ist, die beispielsweise 460 V bei 60 Hz abgibt. Die Sekundärwicklung 3 des Transformators 1 ist mit einem Stellglied S versehen mittels dessen die Leerlaufspannung einstellbar ist, die vorzugsweise zwischen 20 und 60 V Spitzenspannung liegt. In Reihe mit der Sekundärwicklung 3 ist ein Einweggleichrichter 7 geschaltet. Es kann sich dabei um eine Vierschichtschaltdiode handeln. Vorzugsweise wird eine Siliziumdiode benutzt.

In Reihe mit dem Gleichrichter 7 liegt eine Parallelschaltung P, deren einer Zweig eine einstellbare Drossel L, eine Elektrode E und ein Werkstück W umfaßt. Im anderen Zweig befinden sich ein einstellbarer Widerstand R und ein Kondensator C. Die Induktivität der Drossel L ist zwischen 100 und 1000 μΗ, vorzugsweise zwischen 100 und 600 μΗ, einstellbar. Die Elektrode E kann eine abschmelzende oder eine nichtabschmelzende Elektrode sein. Im folgenden ist davon ausgegangen, daß es sich um eine abschmelzende Elektrode handelt. Der Widerstand R bestimmt die Lade- und Entladegeschwindigkeit des Kondensators C. Er hat einen Wert von 0 bis ungefähr 0,2 Ω. Die Kapazität des Kondensators C und die Induktivität der Drossel L sind so gewählt, daß der Gleichstrom mit Netzfrequenz schwingt. Sie liegt vorzugsweise zwischen ungefähr 20 000 und 200000 μΡ.

Typische Anwendungsmöglichkeiten der beschriebenen Anordnung ergeben sich aus den folgenden speziellen Beispielen.

Bei einer Anordnung gemäß F i g. 2 war als Transformator ein Einphasen-460-Volt-Transformator mit Mitteln zur Auswahl der an der Sekundärwicklung abnehmbaren Leerlaufspannung vorgesehen. Die Frequenz der Wechselstromquelle betrug 60 Hz. Ein Lichtbogenbrenner, wie er üblicherweise für das MIG-Schweißen eingesetzt wird und bei dem eine abschmelzende Elektrode durch den Brenner hindurchgeleitet wird und Strom von einer Kontaktspitze aufnimmt, wurde zusammen mit einer 3,2 mm dicken Aluminiumplatte an die Vorrichtung angeschlossen. Durch den Brenner wurde Argonschutzgas in einer Menge von l,42m^:J/h hindurchgeleitet. Die Elektrode war an den positiven Pol, das Werkstück an den

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negativen Pol angeschlossen. Der Abstand zwischen kann die Leerlaufspannung des Transformators ver-

Kontaktspitze und Werkstück lag zwischen ungefähr stellt werden, um den dem Stromkreis zugeführten

16 und 19 mm. Als Elektrode wurde ein Aluminium- Wechselstrom zu beeinflussen. Die Induktivitäts-und/

draht mit 1,6 mm Durchmesser benutzt. Die Draht- oder Widerstandswerte lassen sich ändern, um die

Vorschubgeschwindigkeit war in Anpassung an einen s Filterung des von dem Filterglied abgegebenen stetig

stetig welligen Strom mit einer mittleren Stromstärke welligen Gleichstroms zu beeinflussen. Um die ge-

von ungefähr 100 A auf ungefähr 2,67 m/min ein- wünschte Abstimmung zu erreichen, können aber

gestellt. Durch Einstellen der vom Transformator auch die Leerlaufspannung und der Induktivitätswert

abgegebenen Leerlaufspannung wurden eine mittlere verstellt werden.

Lichtbogenspannung von ungefähr 18,5 V und eine io In einem anderen Anwendungsbeispiel wurde ein Lichtbogenlänge zwischen ungefähr 3,2 und 4,8 mm WIG-Schweißbrenner zusammen mit einem Werkerhalten. Der Widerstand/? war auf 0,1 Ω eingestellt. stück in Form einer 3,2 mm dicken Platte aus rost-Der Kondensator C hatte einen Wert von 0,1 F. Die sicherem Stahl an eine Vorrichtung angeschlossen, Induktivität betrug ungefähr 700 μΗ. Die erhaltene die im wesentlichen entsprechend F i g. 2 geschaltet Schweißung war in jeder Hinsicht zufriedenstellend. 15 war. In diesem Falle erwies es sich jedoch als zweck-

Der Mittelwert des dem Lichtbogen zugeführten mäßig, in Reihe mit der Drossel L einen Widerstand

welligen Gleichstroms wird vorzugsweise auf die von ungefähr 0,08 Ω zu legen. Der Widerstand hatte

Vorschubgeschwindigkeit der abschmelzenden Elek- die Aufgabe, den der Wolfram-Elektrode zugeführten

trode derart abgestimmt, daß für jede Welligkeits- Kurzschlußstrom zu begrenzen, wenn die Zündung

periode ein Elektrodenstück abgeschmolzen wird, 20 durch Kontakt zwischen Elektrode und Werkstück

das dem Volumen nach einem Tropfen von ge- erfolgte. Die Elektrode hatte einen Durchmesser von

schmolzenem Metall äquivalent ist, dessen Durch- ungefähr 2,4 mm, bestand aus thoriertem Wolfram

messer zwischen ungefähr dem Vs- bis Vefachen des und war an den negativen Pol angeschlossen. Als

Elektrodendrahtdurchmessers liegt. In diesem Bei- Schutzgas wurde Argon benutzt. Von Hand wurde

spiel betrug der Durchmesser des geschmolzenen 25 eine Schweißung bei einem Mittelwert des stetig wel-

Tropfens ungefähr 1,4 mm, was näherungsweise dem ligen Gleichstroms von ungefähr 100 A und etwa

0,9fachen Elektrodendurchmesser entspricht. 11V durchgeführt. Der Widerstand, die Kapazität

Die gegenseitige Abstimmung von Elektrodenvor- und die Induktivität waren auf die gleichen Werte

Schubgeschwindigkeit und Mittelwert des dem Licht- wie im vorhergehenden Beispiel eingestellt,
bogen zugeführten welligen Gleichstroms kann auf 30 Patentschutz wird nur für Gegenstände mit allen

verschiedene Weise erzielt werden. Beispielsweise Merkmalen des Anspruchs 1 begehrt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 len resonanzartige Bedingungen erhalten werden, die Patentansprüche: zu einer spritzerfreien Schweißung führen. Außer dem soll die Frequenzabstimmung der Anpassung an

1. Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen mit die Drahtvorschubgeschwindigkeit dienen. Angesichts schwankendem Gleichstrom, insbesondere zum 5 der Vollweggleichrichtung ist jedoch die Wellenform Schutzgaslichtbogenschweißen, mit einer aus des Schweißstromes nur in.sehr beschränktem Umeinem Einphasen-Wechselstromtransformator und fang beeinflußbar. Außerdem ist die bekannte Voreinem Gleichrichter bestehenden Schweißstrom- richtung durch die Verwendung eines Vollweggleichquelle, einem dem Ausgang dieser Schweißstrom- richters verhältnismäßig aufwendig.

quelle parallelgeschalteten Kondensator und einer io Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

hinter dem Kondensator in Reihe mit der Elek- Lichtbogenschweißvorrichtung zu schaffen, die ein-

trode bzw. dem Werkstück geschalteten Drossel, fächer und billiger als die vorgenannte bekannte Vor-

wobei die Kapazität und die Induktivität von richtung aufgebaut, aber besonders gleichwohl viel-

Kondensator und Drossel so gewählt sind, daß seitig einsetzbar ist. Insbesondere soll die Art des

der Gleichstrom zwischen zwei über dem Wert 15 Werkstoff Überganges frei wählbar sein; außerdem

Null liegenden Stromwerten periodisch schwingt, sollen für die jeweils gewählte Werkstoffübergangsart

dadurch gekennzeichnet, daß der die Schweißbedingungen den jeweiligen Bedürfnissen

Gleichrichter (7) ein Einweggleichrichter ist und angepaßt werden können.

daß der Kondensator (C) und die Drossel (L) Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geeine solche Kapazität bzw. Induktivität besitzen, 20 löst, daß der Gleichrichter ein Einweggleichrichter daß der Gleichstrom mit Netzfrequenz schwingt. ist und daß der Kondensator und die Drossel eine

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- solche Kapazität bzw. Induktivität besitzen, daß der kennzeichnet, daß der Kondensator (C) eine Ka- Gleichstrom mit Netzfrequenz schwingt.

pazität zwischen 20 000 und 200 000 μΡ hat. Infolge der Verwendung eines Einweg- statt eines

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- 25 Vollweggleichrichters ist die Schweißvorrichtung nach durch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Kon- der Erfindung erheblich weniger aufwendig als die densator (C) ein Widerstand (R) liegt, der auf bekannte Schweißstromquelle. Darüber hinaus ereine Wert zwischen 0 und 0,2 Ω einstellbar ist. laubt es die Einweggleichrichtung in Verbindung mit

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- dem in der genannten Weise ausgelegten LC-Kreis, kennzeichnet, daß parallel zu dem Widerstand (R) 30 die Wellenform des Schweißstromes in weiten Grenein Kurzschlußschalter liegt. zen entsprechend den jeweils gestellten Anforderun-

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden gen und Betriebsbedingungen zu variieren.
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Es ist zwar beim Lichtbogenschweißen grundsätz-Drossel (L) eine vorzugsweise einstellbare Induk- Hch bekannt (USA.-Patentschrift 3 249 735), daß ein tivität von 100 bis 1000 μΗ, insbesondere von 35 Austausch eines Vollweggleichrichters gegen einen 100 bis 600 μΗ, besitzt. Einweggleichrichter die Frequenz des vom Gleichrichter gelieferten pulsierenden Gleichstromes halbiert, nämlich von der doppelten Netzfrequenz auf

einen der Netzfrequenz entsprechenden Wert bringt.

40 Ein solcher Austausch lag jedoch bei der den Ausgangspunkt vorliegender Erfindung bildenden Vorrichtung (USA.-Patentschrift 3 136 884) nicht nahe,

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Licht- weil dort nicht der Gleichrichter, sondern die aus bogenschweißen mit schwankendem Gleichstrom, ins- Kondensator und Drossel bestehende Speicherschalbesondere zum Schutzgaslichtbogenschweißen, mit 45 tung das die Welligkeitsfrequenz des Schweißstromes einer aus einem Einphasen-Wechselstromtransforma- bestimmende Element ist.

tor und einem Gleichrichter bestehenden Schweiß- Die Kapazität des Kondensators beträgt zweck-

stromquelle, einem dem Ausgang dieser Schweiß- mäßig zwischen 20 000 und 200 000 μΈ.

stromquelle parallelgeschalteten Kondensator und Um die Verstellmöglichkeiten noch zu erweitern,

einer hinter dem Kondensator in Reihe mit der Elek- 5° liegt in weiterer Ausgestaltung der Erfindung in Reihe

trode bzw. dem Werkstück geschalteten Drossel, wo- mit dem Kondensator ein Widerstand, der auf einen

bei die Kapazität und die Induktivität von Konden- Wert zwischen 0 und 0,2 Ω einstellbar ist.

sator und Drossel so gewählt sind, daß der Gleich- Vorzugsweise liegt ferner parallel zu dem Wider-

strom zwischen zwei über dem Wert Null liegenden stand ein Kurzschlußschalter, der geschlossen werden

Stromwerten periodisch schwingt. 55 kann, um das Zünden des Lichtbogens zu erleichtern.

Es ist bekannt (USA.-Patentschrift 3 136 884), bei Zweckmäßigerweise besitzt die Drossel eine voreiner solchen Vorrichtung als Gleichrichter einen zugsweise einstellbare Induktivität von 100 bis Vollweggleichrichter zu verwenden und die dem Voll- 1000 μΗ, insbesondere von 100 bis 600 μΗ.
weggleichrichter nachgeschaltete, von Kondensator Die Vorrichtung nach der Erfindung ist äußerst und Drossel gebildete Speicherschaltung auf Werte ⁶° vielseitig einsetzbar. Durch Verstellen der Leerlaufvon 20 bis 60 Hz abzustimmen, um auf diese Weise spannung, der Drossel und/oder des Widerstandes dem durch die Vollweggleichrichtung des Einphasen- kann die Schweißleistung eingestellt werden, die in Wechselstromes erhaltenen Gleichstrom eine Wech- Verbindung mit einer abschmelzenden Elektrode geselstromkomponente aufzuzwingen, deren Frequenz eignet ist, um verschiedene Arten des Werkstoffüberder Abstimmfrequenz der Speicherschaltung ent- 65 gangs zu bewirken. Falls erwünscht, kann auch der spricht. Wenn die Frequenz der Wechselstromkom- Kondensator eingestellt werden,
ponente sich der jeweiligen Frequenz der im Licht- Unter vorgegebenen Bedingungen können die Einbogen übergehenden Werkstofftröpfchen nähert, sol- Stellungen so getroffen werden, daß ein Hochstrom-