DE1928198B2 - Kurzschluß-Lichtbogenschweißvorrichtung - Google Patents
Kurzschluß-LichtbogenschweißvorrichtungInfo
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Description
bad eintaucht, verzögert, und daher würde für das Abtrennen der Elektrode durch die Einschnürungskraft
eine längere Zeit benötigt werden; hierdurch würde
die Dauer des Kurzschlusses verlängert, worin ein Nachteil zu erblicken ist. Wenn dagegen die Ausgangsspannung
der Schweißstromquelle zu hoch ist, während die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes
auf einen bestimmten festen Wert eingestellt ist, vergrößert sich die Länge des Lichtbogens,
und hierdurch wird die Brennzeit des Lichtbogens auf ' nachteilige Weise verlängert.
Wenn man im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen
auch nur die Ausgangsspannung der SchweißstromqueUe betrachtet, erkennt man. daß sich
bei den bekannten Lichtbogenschweißvorrichtungen die Arbeitsspiele zum Herstellen eines Kurzschlusses
und zum Erzeugen eines Lichtbogens ungleichmäßig abspielen und daß sich daher der Übergang von kleinen
Metalltropfen vom freien Ende der Schweißelektrode zum Werkstück ebenfalls ungleichmäßig abspielt.
In manchen Grenzfällen kann der Übergang von Metalltropfen auf das Werkstück sogar vollständig
unterbrochen werden.
Um hier Abhilfe zu schaffen, scheint es sich anzubieten,
ein aus der GB-PS 1003468 bekanntes Verfahren anzuwenden, bei dem die Elektrodenvorschubgeschwindigkeit
von der Lichtbogenspannung abhängig gemacht wird. Dabei werden allerdings kurzfristige Schwankungen der Lichtbogenspaiinung
vom Vorschubmotor ferngehalten, indem dieser mit Jc einem Glättungskondensator überbrückt wird. Der
Elektrodenvorschub wird also lediglich auf den Mittelwert der Spannungen zwischen der Schweißelektrode
und dem Werkstück abgestimmt. Mit Hilfe dieses Mittelwertes ist es in einem gewissen Ausmaß a
möglich, die gesamte Kurzschlußzeit während der gesamten Schweißzeit abzuschätzen, doch ist damit
keine Steuerung möglich, mit der sich die Kurzschlüsse periodisch oder zyklisch in einer brauchbaren
Reihenfolge erzeugen lassen, oder die dazu führt, daß to
die Kurzschlußzeit während aller Arbeitsperioden annähernd gleich ist. Beim Kurzschluß-Lichibogenschweißverfahren,
bei dem es in erster Linie darauf ankommt, daß die Herstellung von Kurzschlüssen
zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück « regelmäßig bzw. zyklisch wiederholt wird, ist daher
eine solche auf den Mittelwert der Lichtbogenspannung abgeteilte Steuerung des Elektrodenvorschubs
als bei weitem zu ungenau zu betrachten, und daher ist es nicht möglich, diesen zum Mittelwert geglätteten
Wert der Spannung als Bezugsgröße zu verwenden und mit Hilfe dieser Bezugsgröße eine regelmäßige
Folge von Kurzschlußperioden und Lichtbogenbrennperioden zu erzielen, so daß es auch nicht möglich
ist, den Schweißvorgang auf diese Weise genau und gleichmäßig durchzuführen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine automatisch oder halbautomatisch arbeitende Lichtbogenschweißvorrichtung
zu schaffen, bei der eine Regelung in der Weise möglich ist, daß zwischen der μ
Schweißelektrode und dem Werkstück in einer sich regelmäßig wiederholenden Folge und in gleichmäßigen
Zyklen Kurzschlüsse und Lichtbögen erzeugt werden, und daß außerdem bei allen Arbeitsperioden
die Kurzschlußdauer und die Brenndauer des Lichtbogens gleichmäßig wird.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet und in den Unteransprüchen vorteilhaft
weitergebildet.
Bei Verwendung der neuen Kurzschluß-Lichibogenschweißvorrichtung
kommt man zu einer hochqualitativen Schweißung, da der Elektrodenvorschub derart geschieht, daß die Lichtbogenbrennzeiten und
damit die Lichtbogenspannungen in den einzelnen Arbeitszyklen, die je aus einer Kurzschlußzeit und einer
sich daran anschließenden Lichtbogenbrennzeit bestehen, gleich sind. Dies wird dadurch erreicht, daß
der Elektrodendraht-Vorschubmotor über den gesteuerten Gleichrichter nur während der Lichtbogenbrennzeit
an die Speisenergiequelle angeschaltet wird. Mit Beginn des sich an eine Lichtbogenbrennzeit anschließenden
Kurzschlusses hält der Vorschubmotor wieder an.
Verlängert sich die Lichtbogenbrenndauer Ta in den einzelnen Arbeitszyklen, so bedeutet dies, daß
der Vorschubmotor eine längere Zeit braucht, um den SchweißelektiOdendraht bis zum Werkstück vorzuschieben,
bis also ein nächster Kui^chluß eintritt. Daß der Vorschub länger dauert, bedeutet, daß der
Abstand zwischen Elektrodendraht und Werkstück bei Beginn der Lichtbogenbrennzeit größer geworden
ist, was eine höhere Lichtbogenspannung Va zur Folge hat. Dem Vorschubmotor wird also während
der längergewordenen Lichtbogenbrennzeiten eine höhere Spannung zugeführt, so daß dieser schneller
läuft und somit die Elektrode schneller transportiert, was zu einer Verkürzung der Lichtbogenbrenndauer
führt. Da der Vorschubmotor nicht während des gesamten
Arbeitszyklus an die Schweißspannung angeschlossen ist, wird er nicht mit einer Spannung betrieben,
die sich als Mittelwert zwischen den Kurzschluß- und Lichtbogenbrenndaueranteilen des Arbeitszyklus
ergibt. Vielmehr wird der Vorschubmotor einzig und allein durch die während der Lichtbogenbrenndauer
herrschende Lichtbogenspannung beeinflußt.
Da in den einzelnen Arbeitszyklen die Lichtbogenspannungen zu den Zündzeitpunkten durch verschiedene
Einflüsse unregelmäßig sind, wird bei einer Ausf ühmngsform der vorliegenden Erfindung der gesteuerte
Gleichrichter erst zu einem Zeitpunkt durchlässig geschaltet, zu welchem sich die Lichtbogenspannung
stabilisiert hat. Dadurch wird eine noch bessere Vorschubsteuerung erzielt, da der Vorschubmotor jeweils
nur von der stabilisierten Lichtbogenspannung beeinflußt wird. Eine weitere Unabhängigkeit von Unregelmäßigkeiten
der Lichtbogenspannung auch während des stabilisierten Zeitraums der Lichtbogenbrenndauer
kann mac gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dadurch
erreichen, daß der Vorschubmotor nach dem Einschalten fcs gesteuerten Gleichrichters nur die über
eine Zenerdiode anfallende Spannung erhält, und damit
immer eine konstante Spannung. Die Steuerung des Elektrodenvorschubs geschieht dann nur noch
durch die Länge derjenigen Zeitdauer, die vom Einschalten des gesteuerten Gleichrichters bis zum nächsten
Kurzschluß zwischen Elektrode und Werkstück besteht.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen
in Form von schematischen Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 zeigt in einem Schaltbild die grundsätzliche Anordnung der Teile einer erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißvorrkhtung;
Fig. 2a, 2b und 2c geben in graphischen Darstellungen
die Wellenform der zwischen der Schweiß-
elektrode und dem Werkstück während der Durchführung
des Kurzschluß-Schweißverfahrens zu erzeugenden Spannung, die Wellenform der dem Elektrode
nvorschubmo tor zuzuführenden Spannung und die Wellenform von Impulsen wieder, die dem gesteuerten
Gleichrichterelement der Schaltung zugeführt werden;
Fi g. 3 zeigt die elektrische Schaltung einer weiteren Alisführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 4 zeigt schematisch die elektrische Schaltung der Ausführungsform nach Fig. 3;
Fig. S veranschaulicht in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen der Lichtbogenspannung
und der Vorschubgeschwindigkeit der Schweißelektrode bei der Vorrichtung, die mit der Schaltung
nach Fig. 4 versehen ist.
Fig. 1 zeigt nur die wesentlichen Teile einer Ausführungsform der Erfindung; gemäß Fig. 1 sind das
Werkstück 4 und die Schweißelektrode 3, die der Sdiweißzone des Werkstücks mit Hilfe einer Elektrodenvorschubvorrichtung
2 von einer Elektrodendrahtrolle 1 aus zugeführt werden soll, über Steuerkabel
5 und 5' mit den Ausgangsklemmen einer Sciiweißstromquelle 6 verbunden. Zwischen dem
Elüktrodendraht 3 und dem Werkstück 4 sind ein steuerbares Gleichrichterelement 7 und der Elektrodenvorschubmotor
8 in Reihe geschaltet. Zwischen der Steuerelektrode des steuerbaren Gleichrichterelcmentes
7 und der Kathode liegt eine die Leitfähigkeitsphase steuernde Schaltung 9, die so ausgebildet
ist, daß bei der richtigen Phase der Ausgangsspannung der Schweißstromquelle 6 der Zündimpuls erzeugt
wird, mittels dessen das steuerbare Gleichrichterelement 7 gezündet wird.
Wenn bei der beschriebenen Schaltung die Eingangsspannung
der Schweißstromquelle 6 zugeführt wird, gibt die Schweißstromquelle über die Kabel 5
und 5' die vorgeschriebene elektrische Energie bzw. Leistung an die drahtförmige Schweißelektrode 3 und
das Werkstück ab, so daß zwischen dem freien Ende des Elektrodendrahtes 3 und dem Werkstück 4 wiederholt
Kurzschlüsse erzeugt und Lichtbogen gezündet werden können. Die in diesem Augenblick zwischen
der Elektrode 3 und dem Werkstück 4 erzeugte Spannung kann der graphischen Darstellung in
Fig. 2a entsprechen, in welcher die Abszissenachse die Zeit repräsentiert; die Brenndauer der Lichtbogen
ist mit Ta bezeichnet, wälirend die Kurzschlußdauer
mit Ts bezeichnet ist; die Lichtbogenspannung auf der
Ordinatenachse ist mit Va bezeichnet. Aus Fig. 2a ist ersichtlich, daß sich in der Praxis in den meisten
Fällen während jeder Arbeitsperiode andere Werte für die Lichtbogenspannung Va, die Kurzschlußdauer
Ts und die Lichtbogenbrenndauer Ta ergeben, da diene Größen durch zufallsbedingte Faktoren beeinflußt
werden, die sich auf den Ablauf des Schweiß Vorgangs auswirken; zu diesen Faktoren gehören z. B.
Schwankungen der Ausgangsspannung der Schweißstromquelle, Unterschiede bezüglich der Länge des
vorgeschobenen Teils des Elektrodendrshies sowie
andere Faktoren, auf die bereits in der Einleitung hingewiesen wurde.
Um zu erreichen, daß die erwähnten Zeitspannen von Arbeitsperiode zu Arbeitsperiode eine gleichmäßige
Länge erhalten, ist es erforderlich, die Vorschubgeschwindigkeit der Schweißelektrode 3 auf geeignete
Weise zu steuern. Im Hinblick hierauf sieht die Erfindung die die Leitfähigkeitsdauer des Gleichrichterelements
steuernde Schaltung 9 vor, die so ausgebildet ist, daß erstens der Impuls erzeugt werden kann, nachdem
eine vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist,
"' wobei diese Zeitspanne auf den Augenblick bezogen
ist, in dem der Lichtbogen zwischen dem freien Ende des Elektrodendrahtes 3 und dem Werkstück 4 gezündet
worden ist, und daß zweitens der in der soeben beschriebenen Weise erzeugte Impuls dem Steueran-
i» Schluß des steuerbaren Gleichrichterelements 7 zugeführt
wird. Fs sei bemerkt, daß es bei der Schaltung 9 zur Steuerung der Leitfähigkeitsdauer des Gleichrichterelements
möglich ist, die Zeitspanne zwischen dem Lichtbogenzündzeitpunkt und dem Impulserzeu-
> gungszeitpunkt nach Bedarf zu ändern, und daß ferner in bestimmten Fällen auch eine Zeitspanne mit der
Länge Null gewählt werden kann; mit anderen Worten, es ist möglich, den Impuls gleichzeitig genau in
dem Augenblick zu erzeugen, in dem der Lichtbogen
-" gezündet worden ist.
Zum besseren Verständnis sei hier angenommen, daß die Steuerschaltung 9 für das Gleichrichterelement
Impulse in jedem der Lichtbogenzündzeitpunkte t., tv ij usw. erzeugt, während sich die Arbeitsperio-
-'"> den der Vorrichtung wiederholen, und daß alle diese Impulse der Steuerelektrode des Gleichrichterelements
1 zugeführt werden, so daß das Gleichrichterelement in den soeben angegebenen Zeitpunkten leitfähig
wird und seine Leitfähigkeit bis zu dem Augenblick beibehält, in dem der Elektrodendraht 3 das
Werkstück 4 berührt, so daß ein Kurzschluß entsteht. Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung wird
dem Elektrodenvorschübmotor 8, der mit dem Gleichrichterelement 7 in Reihe geschaltet ist, die
Lichtbogenspannung Va zugeführt, solange das Gleichrichterelement leitfähig ist, d. h. vom Zeitpunkt
der Zündung des Lichtbogens bis zum Erlöschen des Lichtbogens, und der Motor 8 wird mit dieser Spannung
betrieben, um den Elektrodendraht 3 vorzuschieben.
Es sei bemerkt, daß während des Bestehens eines Kurzschlusses zwischen dem Elektrodendraht 3 und
dem Werkstück 4 der Stromkreis durch das steuerbare Gleichrichterelement 7 blockiert ist, und daß daher
der Elektrodenvorschübmotor 8 außer Betrieb ist. Ferner ist zu bemerken, daß der Elektrodenvorschübmotor
nur während der Brenndauer des Lichtbogens mit der Lichtbogenspannung betrieben wird, daß er
jedoch nicht entsprechend dem Mittelwert der Spannungen betrieben wird, die während der Schweißperioden
auftreten. Mit anderen Worten, der Elektrodenvorschubmotor wird mit einer Spannung betrieben,
die direkt proportional zur Brennzeit des Lichtbogens während jeder Arbeitsperiode ist.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung treten Abweichungen bezüglich der Länge der Zeitspannen auf,
während deren der Lichtbogen aufrechterhalten wird. Wenn jedoch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die Lichtbogenbrennzeit Ta lang ist, wird dem Elektrodenvorschubmotor
8 natürlich eine höhere Spannung zugeführt, und die Vorschubgeschwindigkeit des
Elektrodendrahtes 3 muß erhöht werden, wodurch die Brennzeit des Lichtbogens verkürzt wird; wenn
andererseits die Lichtbogenbrennzeit kurz ist, wird der Elektrodenvorschübmotor 8 mit einer niedrigeren
Eingangsspannung betrieben, und daher wird der Elektrodendraht 5 langsamer vorgeschoben, so daß
sich die Lichtbogenbrennzeit verlängert. Somit wird
gemäß der Erfindung die Elektrodenzuführungsgeschwindigkeit automatisch in direkter und genauer
Abhängigkeit von der jeweiligen Länge der Lichtbogenbrennzeit während jeder Arbeitsperiode gesteuert;
daher ergibt sich der Vorteil, daß man bei der Arbeitsr^Hode die gleiche Lichtbogenbrennzeit und
die gleiche Kurzschlußdauer erhält, und daß sich die Erzeugung von Kurzschlüssen und Lichtbogen in
Form gleichmäßiger Arbeitsspiele abspielt.
Es ist bekannt, daß beim erneuten Zünden eines Lichtbogens zwischen dem Elektrodendraht 3 und
dem Wer'-stoff 4, zwischen denen vorher ein Kurzschluß
bestand, eine äußerst unregelmäßige Lichtbogenspannung auftritt, deren Unregelmäßigkeit während
einer kurzen Zeitspanne erhalten bleibt. Wenn die Lichtbogenspannung unter diesen Umständen,
d. h. im Zeitpunkt des ZUndens des Lichtbogens, dem Elektrode nvorschubmotor 8 ohne jede Einstellung
oder Veränderung zugeführt würde, so würde dies bedeuten, daß der Motor 8 mit der erwähnten unregelmäßigen
Spannung betrieben würde; selbst dann, wenn die Lichtbogenbrennzeiten gelegentlich oder infolge
einer Einstellung die gleiche Länge haben, würde daher die dem Motor 8 tatsächlich zugeführte
Spannung auf unvorhersehbare Weise variieren, so daß die Gefahr besteht, daß die Vorschubgeschwindigkeit
des Elektrodendrahtes 3 auf nachteilige Weise geändert wird.
Bei dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung sind die vorstehend behandelten Nachteile
dagegen vollständig beseitigt, und der Elektrode nvorschubmotor 8 wird mit einer Spannung betrieben, die
in einem stärkeren Maße proportional zur Lichtbogenbrennzeit ist, damit die Vorschubgeschwindigkeit
des Elektrodendrahtes in der richtigen Weise gesteuert werden kann.
Wie schon erwähnt, ist die Schaltung 9 zum Steuern der Leitfähigkeitsphase so ausgebildet, daß sie die
Zündimpulse jeweils kurz nach dem Ablauf der vorbestimmten
Zeitspanne erzeugt, die durch den Augenblick bestimmt wird, in dem der Lichtbogen gezündet
wird, oder die auf den Augenblick der Lichtbogenzündung bezogen ist. Nachdem der Lichtbogen
jeweils in den Zeitpunkten f,, t2, t3 usw. gezündet
worden ist, und wenn dafür gesorgt wird, daß die Zündimpulse erzeugt werden, nachdem eine ausreichende
Zeitspanne verstrichen ist, innerhalb deren sich der Lichtbogen stabilisieren kann, so daß sich
auch eine gleichmäßige Lichtbogenspannung eingestellt hat, d. h. wenn die Impulse gemäß Fig. 2c in
den angegebenen Zeitpunkten tfv <f2, tf^ usw, erzeugt
werden, wird das Gleichriehterelement 7 in den zuletzt
genannten Zeitpunkten leitfähig, und es behält seine Leitfähigkeit bis zu dem Zeitpunkt, in dem der
Elektrodendraht 3 das Werkstück 4 berührt, so daß ein Kurzschluß eintritt.
Somit wird dem Elektrodenvorschubmotor 8 die
Lichtbogenspannung Va so zugeführt, daß der Motor
in dem Zettpunkt in Betrieb gesetzt wird, in dem nach der Zündung des Lichtbogens eine bestimmte Zeitspanne
verstrichen ist, wie es in Fig. 2 b dargestellt ist, und dann bleibt der Motor in Betrieb, bis der
Lichtbogen gelöscht wird. Da die erwähnte Zeitspanne bzw. Zeitgrenze bei jeder Arbeitsperiode die
gleiche ist, ist die dem Elektrodenvorschubmotor 8 zugeführte Spannung zur Lichtbogenbrennzeit genau
proportional, und daher wird der Elektrodendraht 3 genauer und gleichmäßiger vorgeschoben; somit ist
ersichtlich, daß die zyklische Wiederholung des ZUndens von Lichtbogen und der Erzeugung von Kurzschlüssen
sowie die Gleichmäßigkeit, mit der die verschiedenen Zeitspannen eingehalten werden, gewährleistet
sind, und daß eine höhere Genauigkeit bei der Durchführung des Scmveißverfahrens erzielbar ist.
Wenn man ferner die erwähnte Zeitgrenze auf geeignete Weise einstellt, ergeben sich Vorteile bezüglich
der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung; allerdings ergeben sich bei einer solchen
Einstellung nicht die Vorteile der direkten Steuerung der zyklischen Wiederholung oder der Dauer der
Kurzschlußperioden und der Lichtbogenbrennzeit; jedoch ermöglicht es die Einsteilung der erwähnten
Zeitgrenze, eine Feineinstellung der Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes zu bewirken;
hieraus ergibt sich ein weiterer Vorteil, nach rterrt rf«e
Einhaltung einer Gleichmäßigen Höhe der Lichtbogenspannung gewährleistet ist, so daß es möglich ist,
optimale Schweißbedingungen zu erzielen.
Nachstehend wird ein weiteres Merkmal der Erfindung an Hand von Fig. 2a und 2b beschrieben. Wie
aus diesen Figuren ersichtlich, ändert sich die Größe der Spannung Va von Augenblick zu Augenblick;
außerdem verlaufen diese Änderungen gewöhnlich äußerst unregelmäßig; wenn eine solche Lichtbogenspannung
nachgewiesen werden soll, ohne daß vorher irgendeine Veränderung vorgenommen wird, kann
der nachgewiesene Wert durch die erwähnten regellosen Änderungen beeinflußt sein, so daß man nicht annehmen
kann, daß der gewonnene Wert im richtigen Verhältnis zur Lichtbogenbrennzeit steht. Im Hinblick
hierauf sieht die Erfindung gemäß Fig. 3 eine weitere Ausführungsform vor, bei der der sich regellos ändernde
Teil der Lichtbogenspannung beseitigt wird; die Vorrichtung nach Fig. 3 ist so ausgebildet, daß
sie es ermöglicht, die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes 3 direkt proportional zur Länge
der Lichtbogenbrennzeit zu regeln. Gemäß Fig. 3 umfaßt die Schaltung zu diesem Zweck eine Zenerdiode
10, die über einen Widerstand 11 mit dem Elektrodendraht 3 und auf ihrer anderen Seite mit dem
Werkstück 4 verbunden ist. Die Zenerspannung der Zenerdiode wird so gewählt, daß sie niedriger ist als
der niedrigste Wert der Lichtbogenspannungen, die ausreicht, um einen Lichtbogen aufrechtzuerhalten.
Die beschriebene Schaltung ermöglicht es, dem Elektrodenvorschubmotor 8 die Zenerspannung der
Zenerdiode 10 zuzuführen, so daß der Motor während der ganzen Zeitspanne betrieben wird, die in dem
Zeitpunkt beginnt, in welchem nach dem Zünden eines Lichtbogens eine bestimmte Zeitspanne abgelaufen
ist, und die im Augenblick des Erlöschens des Lichtbogens endet. Bei dieser Betriebsweise des Motors
8 kann die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes einwandfrei so gesteuert werden, daß
sie genau zu der Lichtbogenbrennzeit proportional ist, wobei der Einfluß des sich regellos ändernden Teils
der Lichtbogenspannung völlig beseitigt ist.
Fig. 4 zeigt Einzelheiten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Gemäß Fig. 4
ist zwischen dem Elektrodendraht 3 und dem Werkstück 4, mit denen die Anode eines steuerbaren
Gleichrichterelements oder eines gesteuerten Silizium-Gleichrichters
SCR als auch eine Klemme des Elektrodenvorschubmotors PM verbunden ist, der
mit dem Gleichrichterelement SCR in Reihe ließt, ein
Stromkreis, in dem ein Widerstand Rl mit einer Zenerdiode VRDl in Reihe geschaltet ist, und ein
Stromkreis, indem ein Widerstand A3 mit einer zweiten
Zenerdiode VRDl in Reihe geschaltet ist, gegenseitig
parallel geschaltet, und an beiden Klemmen der Zenerdiode VRDl sind ein verstellbarer Widerstand
WCP, ein Widerstand Rl und ein Kondensator Cl
in Reihe geschallet, während an beiden Klemmen der Zenerdiode VRDl ein Widerstand A4, ein Transistor
UJT mit nur einem Übergang und die Primärwicklung P eines Impulstransformators PT in Reihe geschaltet
sind. Beide Enden der Sekundärwicklung 5 des Impulstransformators PT sind an die Steuerelektrode
bzw. die Kathode des Gleichrichterelements SCR angeschlossen; ferner ist der Knotenpunkt zwisehen
dem Widerstand Rl und dem Kondensator Cl mit dem Emitter des Transistors UJT verbunden. Es
sei bemerkt, daß die Zenerspannung der Zenerdiode VRDl selektiv so eingestellt ist, daß sie niedriger ist
als der niedrigste Wert von z. B. 17V der Lichtbogenspannung unter normalen Betriebsbedingungen. Ferner
ist im vorliegenden Fall ein mit einer gedruckten Schaltung versehener Motor für eine Nennspannung
von 12 V als Vorschubmotor PM für den Elektrodendraht
vorgesehen.
Nimmt man bei der Schaltung nach Fig. 4 an, daß ein Lichtbogen gezündet wird, so befindet sich in dem
der Lichtbogenzündung folgenden Augenblick der Transistor UJT im nicht leitfähigen Zustand, da das
elektrische Potential an seinem Emitter nahezu gleich Null ist; infolgedessen fließt kein Strom durch den Impulstransformator
PT, und daher wird kein Impuls zum Zünden des steuerbaren Gleichrichterelements
SCR erzeugt. Wenn die Lichtbogenspannung an die Schaltung angelegt wird, entsteht andererseits an dem
Stromkreis, in dem der Widerstand Al und die Zenerdiode VRDl in Reihe geschaltet sind, eine bestimmte
Spannung zwischen den beiden Klemmen dieser Zenerdiode, und daher wird der Kondensator
Cl mit dieser Spannung über den verstellbaren Widerstand WCP und den Widerstand Rl aufgeladen.
Wenn der Kondensator Cl die vorgesehene Endspannung erreicht, was nach dem Ablauf einer bestimmten
Zeitspanne geschieht, und zwar entsprechend der Zeitkonstante, die sich sowohl nach der
Kapazität des Kondensators als auch den Widerstandswerten des verstellbaren Widerstandes WCP
und des Widerstandes Rl richtet, wird der Transistor UJT augenblicklich leitfähig, sobald das Potential an
seinem Emitter einen vorbestimmten Wert erreicht, so daß ein Strom durch die Primärwicklung P des Impulstransformators,
die Widerstände A3, RA und den Transistor UJT fließt Dann wird der durch die Sekundärwicklung
des Impulstransformators PT erzeugte Impuls der Steuerklemme des Gleichrichterelements
SRR zugeführt, so daß das Gleichrichterelement
leitfähig wird und von diesem Augenblick an dem Elektrodenvorschubmotor PM die Zenerspannung
zugeführt wird, deren Spitzen durch die Zenerdiode VRDl beschnitten worden sind; solange die
Zenerspannung dem Motor PM zugeführt wird, wird somit der Elektrodendraht vorgeschoben. Wenn das
Gleichrichterelement SCR einmal in den leitfähigen Zustand gebracht worden ist, bleibt es so lange im
Zustand der Leitfähigkeit, wie die Lichtbogenspannung zur Verfügung steht.
Wie vorstehend bereits erläutert, ist die Spannung an der Zererdiode VRDl ohne Rücksicht auf die Änderungen
der W.'rte der Lichtbogenspannung konstant, und daher ist während des Aufladens des Kondensators
Cl, dessen Dauer durch den verstellbaren Widerstand WCP bestimmt wird (d. h. während der
■*> Verzögerungszeitspanne, die mit dem Zünden des Lichtbogens beginnt und in dem Augenblick endet,
in welchem der Transformator PT einen Impuls erzeugt, um das Gleichrichterelement SCR leitfähig zu
machen), die an der Zenerdiode VRDl erscheinende
id Spannung während jeder Arbeitsperiode die gleiche. Wenn der Lichtbogen während einer langen Zeitspanne
aufrechterhalten wird, wird dem Elektrodenvorschubmotor eine größere Energiemenge zugeführt,
so daß sich die Vorschubgeschwindigkeit des
r> Elektrodendrahtes erhöht; wenn der Lichtbogen dagegen
nur während einer kurzen Zeitspanne aufrechterhalten wird, verringert sich die Vorschubgeschwindigkeit
des Elektrodendrahtes 3. Somit wird die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes von
-'Ii Augenblick zu Augenblick eingestellt und völlig automatisch
korrigiert.
Fig. 5 zeigt in einer graphischen Darstellung ein Beispiel für die Beziehung zwischen der Lichtbogenspannung
und der Elektrodenvorschubgeschwindig- · keit, die dann gegeben ist, wenn bei dem Kurzschluß-Lichtbogenschweißverfahren
von der in Fig. 4 gezeigten Schaltung Gebrauch gemacht wird, wobei sich aus dieser Beziehung eine zeitliche Verzögerung (/'ergibt,
die in der beschriebenen Weise mit dem Augen-
jn blick des Zündens des Lichtbogens beginnt und in dem
Augenblick endet, in dem das Gleichrichterelement SCR leitfähig gemacht wird. Die Lichtbogenbrennzeit
T richtet sich nach der Zahl der erzeugten Kurzschlüsse und steht im umgekehrten Verhältnis zur
Γ) Zahl der Kurzschlußperioden η während der gewöhnlichen
Schweißzeit. Da die Zahl der Kurzschlüsse beim gewöhnlichen Schweißen durch den
Ausdruck η = 40 bis 150/s gegeben ist, d. h. da Γ = 7
bis 25 Millisekunden beträgt, und wenn man in dem
AO in Fig. 5 dargestellten Fall annimmt, daß η = 100/s
ist, ergibt sich, daß T= 100 Millisekunde^ ist.
Wenn der Widerstandswert des verstellbaren Widerstandes WCP geändert wird, ergeben sich gemäß
der vorstehenden Beschreibung für die zeitliche Ver-5 zögerung z. B. folgende Werte:
tf = 0 tf= 0,5 T
tf = 0 tf= 0,5 T
tf = 0,7 Tund tf = 0,9 T
Die Beziehung zwischen der Lichtbogenspannung und der Elektrodenvorschubgeschwindigkeit wurde auf der Basis der genannten Parameter berechnet.
Die Beziehung zwischen der Lichtbogenspannung und der Elektrodenvorschubgeschwindigkeit wurde auf der Basis der genannten Parameter berechnet.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung ermöglicht
es die erfindungsgemäße Vorrichtung, die Spannung zu ermitteln, die zur Brennzeit des Lichtbogens genau
proportional ist, wobei diese Ermittlung in enger Anlehnung an die sich von Augenblick zu Augenblick
ändernden Schweißbedingungen während der tatsächlichen Schweißzeit durchgeführt wird, und der
Elektrodenvorschubmotor wird in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert dieser Spannung betrieben, so
daß die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes genau gesteuert werden kann. Gemäß der Erfindung
ist es daher möglich, die Schweißelektrode zu veranlassen, auf regelmäßige zyklische Weise in
Berührung mit dem Werkstück zu kommen und einen Kurzschluß herbeizuführen, woraufhin jedesmal ein
Lichtbogen erzeugt wird; hierbei wird erreicht, daß die Brennzeit des Lichtbogens bei allen Arbeitsperioden
gleich lang ist, so daß die Durchführung des Kurz-
schluß-Lichtbogenschweißverfahrcns in der erforderlichen
Wefc? zwangsläufig und mit höchster Genauigkeit
geregelt wird, und daß es daher möglich ist, ständig die richtigen Schweißbedingungen aufrechtzuerhalten,
so daß gleichmäßige und hervorragende Ergebnisse erzielt werden.
Abgesehen von den funktioneilen Vorteilen, die die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet, ist die Vorrichtung
von sehr einfacher Konstruktion, denn man kann auf die Verwendung verschiedener Hilfsvorrichtungen
verzichten, die bei den bis jetzt bekannten Lichtbogenschweiß vorrichtungen benötigt werden; hierzu
gehören die Energiequelle für die Steuervorrichtung, die komplizierten Steuerkabel und weitere zugehörige
Bauteile.
Nachstehend wird auf einen weiteren Vorteil der Erfindung näher eingegangen: Während die vorstehende
Beschreibung auf der Annahme beruht, daß die Belastung des Elektrodenvorschubmotors stets
konstant ist, soll nunmehr auch der Fall betrachtet werden, daß diese Belastung Änderungen unterliegt.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, das steuerbare Gleichrichterelement zwischen
~> dem Elektrodendraht und dem Werkstück und in Reihe mit dem Elektrodenvorschubinotor anzuordnen,
um das Gleichrichterelement als Schälvorrichtung zu benutzen, durch die die Zufuhr von Strom
zu dem Elektrodenvorschubmotor unterbrochen oder
ίο bewirkt wird. In diesem Fall können die auf die Änderungen
der Belastung zurückzuführenden Schwankungen der Drehzahl bzw. der Vorschubgeschwindigkeit
verringert werden; dies erweist sich in Fällen als besonders vorteilhaft, in denen ebenso wie bei der Benutzung
einer halbautomatisch arbeitenden Lichtbogenschweißvorrichtung der Elektrodendraht mit Hilfe
des Vorschubmotors vorgeschoben wird, wobei der Elektrodendraht über eine flexible Führung mit einer
Länge von mehreren Metern zugeführt wird.
Claims (4)
1. Kurzschluß-Lrchtbogenschweißvorrichtung
zur Kurzschlußschweißung eines Metallwerkstücks, mit einer Schweißelektrode,
einem Elektrodenvorsdrabroechanismus zum
Zuführen der Schweißelektrode zur Schweißzone des Metallwerkstück^
einem Elektrodenvorschubmotor zum Antreiben den Elektrodenvorschubmechanismus mit einer
variablen Geschwindigkeit, die sich entsprechend den Änderungen der dem Motor zugef ührten
Eingangsleistung ändert,
einer mit dem Motor verbundenen EnergieversorgungsqueBe
zu dessen Energieversorgung,
und mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung •der dem Elektrodenvorschubmotor zugeführten
Eingangsleistung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen gesteuerten Gleichrichter (T)
aufweist, der zwischen die Elektrode (3) und das
Metallwerkstück (4) und in Reihe mit dem Elektrodenvorschubmotor (8) geschaltet ist, und daß
eine Leitfähigkeitsphasen-Steuerechaltung (9) vorhanden ist zur Steuerung dar Leitfähigkeitsphase des gesteuerten Gleichrichters (7) derart,
daß dieser zu einer vorbestimmten Zeit nach dem Zünden des Schweißlichtbogens zwischen Elektrode
und Metallwerkstück leitend wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungsquelle
zur Energieversorgung des Motors (8) die Schweißenergiequeile umfaßt und daß die Steuereinrichtung
einen zwischen die Elektrode (3) und das Metallwerkstück (4) und in Reihe zum Elektrodenvorschubmotor
(8) geschalteten gesteuerten Gleichrichter (7) und eine parallel zum gesteuerten
Gleichrichter (7) und zwischen die Elektrode (3) und das Metallwerkstück (4) geschaltete
Zenerdiode aufweist, deren Zenerspannung niedriger ist als der minimale Spannungswert zur Aufrechterhaltung
eines Schweißlichtbogens zwischen Elektrode und Metallwerkstück.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeitsphasen-Steuerschaltung
(9) eine Unipolartransistorschaltung (UJT) aufweist, deren Eingangsspannung
von der Schweißlichtbogenspannung abhängt und deren Ausgang verbunden ist mit der
Primärwicklung (P) eines Steuertransformators (T), dessen Sekundärwicklung (S) an die Steuerelektrode
des gesteuerten Gleichrichters (SCR) angeschlossen ist, so daß der gesteuerte Gleichrichter
leitfähig gesteuert wird, wenn der Unipolartransistor
(UJT) leitet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang der Unipolartransistorschaltung
einen variablen Widersand (WCP) zur Steuerung der Einschaltverzögerung des Unipolartransistors
(UJT) aufweist, und daß die Unipolartransistorschaltung parallel zu einer Zenerdiode
(VRDl) geschaltet ist, um das Eingangssignal der Unipolartransistorschaltung auch bei Änderungen
der Schweißlichtbogenspannung konstant zu halten.
Die Erfindung betrifft eine Kurzschluß-Lichtbogenschweißvorrichtung
gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es sind Kurzschluß-Lichtbogenschweißvorrichtun-
"> gen bekannt, bei denen die Schweißelektrode mit einer
bestimmten konstanten Geschwindigkeit, die dem gewählten Wert sowohl des Schweißstroms als auch
der Lkhtbogenspannung anpaßbar ist, vorgeschoben
wird, so daß zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück wiederholt ein Kurzschluß und eine Lichtbogenzündung
herbeigeführt werden. Ferner ist es üblich, unter Berücksichtigung der Stärke des
Schweißstroms, der Lichtbogenspannung und der Zshl der Schweißperioden, d. h. des gesamten Ablaufs
des Schweißvorgangs, in erster Linie die Richtigkeit der angewandten Elektrodenvorschubgeschwindigkeit
zu beurteilen und diese Geschwindigkeit in der erforderlichen Weise einzustellen, um den Schweißvorgang
fortlaufend durchzuführen.
Wenn die stetige Erzeugung einer einwandfreien Schweißnaht und die Erzielung einer gleichmäßigen
und brauchbaren Endqualität der Schweißnähte bei der Anwendung des Kurzschluß-Lichtbogenschweißverfahrens
gewährleistet werden soll, ist es allgemein erforderlich, dafür zu sorgen, daß in erster Linie der
beim Entstehen des Kurzschlusses zwischen der Schweißelektrode und dem Grundmetall erzeugte
Kurzschlußstrom sowie der Lichtbogenstrom und die Lichtbogenspannung, die während der Brennzeit des
to Lichtbogens auftreten, bei allen Arbeitsperioden gleichmäßig sind, daß zweitens die Herstellung des
Kurzschlusses und die Zündung des Lichtbogens regelmäßig und in gleichmäßigen Zeitabständen wiederholt
werden, daß femer die Dauer des Kurzschius-
J5 ses und die Länge der Brennzeit jedesmal annähernd
gleich sind, und daß die Vorschubgeschwindigkeit der Schweißelektrode in der richtigen Weise der regelmäßigen
Wiederholung der Arbeitsschritte zum Erzeugen eines Kurzschlusses und zum Ziwden des Lichtbogens
angepaßt wird. Dies in der Praxis zu erreichen, erwies sich jedoch bisher als schwierig, denn hierbei
spielen verschiedene Faktoren eine Rolle, durch die der Schweißvorgang in seinem Ablauf beeinträchtigt
wird. Beispielsweise wurden Schwankungen der Ausgangsspannung der beim Schweißen benutzten
Stromquelle, des Widerstandes der Schweißkabel, der Stärke des Schweißstroms und der Vorschubgeschwindigkeit
der Schweißelektrode eine nicht vermeidbare ungünstige Wirkung ausüben, d. h. es wür-
den Änderungen der Spannung zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück auftreten und
ferner wurden sich die Kurzschlußzeiten und die
Lichtbogenbrennzeiten verändern. Wenn man die Schweißelektrode einfach mit einer vorbestimmten
Geschwindigkeit vorschiebt, können gleichmäßige Kurzschluß- und Lichtbogenphasen nicht erwartet
werden, denn der Ablauf des Schweißvorgangs wird durch sich in der Nähe der Schweißstelle abspielende
Vorgänge gestört.
Nimmt man an, daß die Schweißelektrode mit einer vorbestimmten konstanten Geschwindigkeit vorgeschoben
wird und daß die Ausgangsspannung der Schweißstromquelle im Hinblick auf die gewählte
Vorschubgeschwindigkeit zu niedrig ist oder daß der innere Widerstand oder der innere Scheinwiderstand
zu groß ist, würde das Ansteigen des Kurzschlußstroms, der durch die Schweißelektrode fließen soll,
während das freie Ende der Elektrode in das Schmelz-
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