DE1928198C3

DE1928198C3 - Kurzschluß-Lichtbogenschweißvorrichtung

Info

Publication number: DE1928198C3
Application number: DE1928198A
Authority: DE
Inventors: Hisao Osaka Goto (Japan)
Original assignee: Osaka Transformer Co Ltd
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 1968-06-03
Filing date: 1969-06-03
Publication date: 1980-01-31
Also published as: GB1261785A; DE1928198A1; DE1928198B2; US3627975A

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 Schweißstromquelle 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 Grenzfälien kann der übergang von Metailtropfen auf das Werkstück sogar vollständig unterbrochen werden.

Um hier Abhilfe zu schaffen, scheint es sich anzubieten, ein aus der GB-PS 1 003468 bekanntes Verfahren anzuwenden, bei dem die Elektrodenvorschubgeschwindigkeit von der Lichtbogenspannung abhängig gemacht wird. Dabei werden allerdings kurzfristige Schwankungen der Lichtbogenspannung vom Vorschubmotor ferngehalten, indem dieser mit 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 möglich, die gesamte Kurzschlußzeit wahrend 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 die Kurzschlußzeit während aller Arbeitsperioden annähernd gleich ist. Beim Kurzschluß-Lichtbogenschweißverfahren, bei dem fs 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 /u ungenau zu betrachten, und daher ist es nicht möglich, diesen zum Mittelwert geglätteten Wert der Spannung als Bezugsgröße /u verwenden und mit Hilfe dieser Bezugsgröße eine regelmäßige Folgt von Kur/schlußperioden und Lichtbogenbrennperioden /u erzielen, so daß es auch nicht möglich ist. den Schweißvorgang auf diese Weise genau und gleichmäßig durchzuführen

Du. Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine automatisch oder halbautomatisch arbeitende Lichtbogenschweißvorrichtung /u schaffen, bei der eine Regelung in der Weise möglich ist. daß zwischen der 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-Lichtbogenschweißvorrichtung 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

ι" der Elektrodendraht-Vorschubmotor über den gesteuerten Gleichrichter nur während der Lichtbogenbrennzeit an die Energiequelle angeschaltet wird. Mit Beginn des sich an eine Lichtbogenbrennzeit anschließenden Kurzschlusses hält der Vorschubmotor

¹' wieder an.

Verlängert sich die Lichtbogenbrenndauer Ta in den einzelnen Arbeitszyklen, so bedeutet dies, daß der Vorschubmotor eine längere Zeit braucht, um den Schweißclektrodendraht bis zum Werkstück vorzu

-'" schieben, bis also ein nächster 't.urzschluß eintritt. Daß der Vorschub länger daueri, bf deutet, 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 Licht'jogenbrenndauer

'" 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

i'i ergibt. Vielmehr wird der Vorschubmotor einzig und allein durch die während der Lichtbogenbrenndauer herrschende Lichtbogenspannung beeinflußt.

Da in den einzelnen Arbeitszyklen di.· Lief ibogenspannungen zu den Zündzeitpunkten durch verschie-

·<· dene Einflüsse unregelmäßig sind, wird bei einer Ausf,hrungsform der vorliegenden Erfindung der gesteuerte Gleichrichter erst zu einem Zeitpunkt durchlässig geschaltet, zu welchem sich die Lichtbagenspannung stabilisiert hat. Dadurch wird eine noch bessere Vor-

'' schubsteuerung erzielt, da der Vorscnubmotor jeweils nur von der stabilisierten Lichthogenspannung beeinflußt wird. Eine weitere Unabhängigkeit von Unregelmäßigkeiten der I.ichtbogenspannung auch während des stabilisierten Zeitraums der Liehtbogen-

i» brenndaucr kann man gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dadurch erreichen, daß der Vorschubmotor nach dem hinscbülten des gesteuerten Gleichrichters nur die über eine Zenerdiode anfallende Spannung erhält, und da-

">> mit immer eine konstante Spannung Die Steuerung des Elektrodenvorschubs geschieht dann nur noch durch die Länge derjenigen Zeitdauer, die vom E'.inschalten des gesteuerten Gleichrichters bis /um nächsten Kurzschluf /wischen Elektrode und Werkstück

wi besteht

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen in Form von schernr. tischen Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt in einem Schaltbild die grundsätzliche

μ Anordnung der Teiie einer erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißvorrichtung;

Fig. 2a, 2b und 2c geben in graphischen Darstellungen die Wellenform der zwischen der Schweiß-

elektrode und dem Werkstück während der Durchs führung des Kurzschluß-Schweiß Verfahrens zu erzeugenden Spannung, die Wellenform der dem Elektron denvorschubmotor 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 Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 4 zeigt schematisch die elektrische Schaltung der Ausführungsform nach Fig. 3;

Fig. 5 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.

Fiß. 1 zeiet nur die wesentlichen Teile einer Ausführungsform der Erfindung; gemäß Fig. 1 sind das Werkstück 4 und die Schweißelektrode 3, die der Schweißzone des Werkstücks mit Hilfe einer Elektrodenvorschubvorrichtung 2 von einer Elektrodendrahtrolle 1 aus zugeführt werden soll, über Steuerkabel 5 und 5' mit den Ausgangsklemmen einer Schweißstromquelle 6 verbunden. Zwischen dem Elektrodendraht 3 und dem Werkstück 4 sind ein steuerbares Gleichrichterelement 7 und der Elektrodenvorschubmotor 8 in Reihe geschaltet. Zwischen der Steuerelektrode des steuerbaren Gleichrichterelementes 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. Leistungen die drahtförmige Schweißelektrode 3 und das Werkstück ab, so daß zwischen dem freien Ende

dung 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 Steueranschluß des steuerbaren Gleichrichterelements 7 zugeführt wird. Es sei bemerkt, daß es bei der Schaltung 9 zur Steuerung der Leitfähigkeitsdauer des Gleichrichterelements möglich ist, die Zeitspanne zwischen dem Lichtbogenzündzeitpunkt und dem Impulserzeu-

ij 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 f,, I₁, /j 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 Gleichrichterelemenüin den soeben angegebenen Zeitpunkten leitfähig wird und seine Leitfähigkeit bis zu dem Augen-

JO blick beibehält, in dem der Elektrodendraht 3 das Werkstück 4 berührt, so daß ein Kurzschluß entsteht. Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung wird dem Elektrodenvorschubmotor 8, der mit dem Gieichrichterelement 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

derholt 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, während 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 Ti und die Lichtbogenbrenndauer Ta ergeben, da diese Größen durch zufallsbedingte Faktoren beeinflußt werden, die sich auf den Ablauf des Schweißvorgangs auswirken; zu diesen Faktoren gehören z. B. Schwankungen der Ausgangsspannung der Schweißstromquelle, Unterschiede bezüglich der Länge des vorgeschobenen Teils des Elektrodendrahtes 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 Erfindern Werkstück 4 der Stromkreis durch das steuerbare Gleichrichterelement 7 blockiert ist, und daß daher der Elektrodenvorschubmotor 8 außer Betrieb ist. Ferner ist zu bemerken, daß der Elektrodenvorschubmotor nur während der Brenndauer des Lichtbogens mit der Lichtbogenspannung betrieben wird, daß er jedoch nicht entsprechend dem Mittelwert der Span-

•30 nungen 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.

η 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 Spannungzugeführt, und die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes 3 muß erhöht werden, wodurch die Brennzeit des Lichtbogens verkürzt wird; wenn andererseits die Lichtbogenbrennzeit kurz ist, wird der Elektrodenvorschubmotor 8 mit einer niedrigeren Eingangsspannung betrieben, und daher wird der Elektrodendraht 3 langsamer vorgeschoben, so daß sich die Lichtbogenbrennzeit verlängert. Somit wird

gemäß der Erfindung die Elektrodenzuführungsge» schwindigkeit automatisch in direkter Und genauer Abhängigkeit von der jeweiligen Länge der Lichtbo« genbrcnnzeit während jeder Arbeitsperiode gesteuert; daher ergibt sich der Vorteil, daß man bei der "> Arbeitsperiode die gleiche Lichtbogenbrennzeit und die seiche KurzSchlüßdäuef erhält, Und daß sich die Erzeugung von Kurzschlüssen und Lichtbögen in Form gleichmäßiger Arbeitsspiele abspielt.

Es ist bekannt, daß beim erneuten Zünden eines "' Lichtbogens zwischen dem Elektrodendraht 3 und dem Werkstoff 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 Zündens des Lichtbogens, dem Elektrodenvorschubmotor 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 in folge einer Einstellung die gleiche Länge haben, würde daher die dem Motor 8 tatsächlich zugeführte Spannung auf unvorhersehbare Weise variieren, so r> 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 w dagegen vollständig beseitigt, und der Elektrodenvorschubmotor 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 Au- -to genblick bestimmt wird, in dem der Lichtbogen geersichtlich, daß die zyklische Wiederholung des
dens von Lichtbögen und der Erzeugung von
Schlüssen sowie die Gleichmäßigkeit, mit der die verschiedenen Zeitspannen eingehalten werden_s gewähr* leistet sind, und daß eine höhere Genauigkeit bei der Durchführung des Schweißverfahrens erzielbar ist.

Wenn mail ferner die erwähnte Zeitgfenze auf geeignete Weise einstellt, ergeben sich Vorteile bezüge lieh 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 Einstellung der erwähnten Zeitgrenze, eine Feineinstellung der Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes zu bewirken; hieraus ergibt sich ein weiterer Vorteil, nach dem die 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 Elek-

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Lichtbogenzündung bezogen ist. Nachdem der Lichtbogen jeweils in den Zeitpunkten r,, /₂, /, 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 tf_v tf₂, tf_y usw. erzeugt werden, wird das Gleichrichterelement 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 Zeitpunkt in Betrieb gesetzt wird, in dem nach der Zündung des Lichtbogens eine bestimmte Zeitspanne verstrichen ist, wie es in Fig. 2b 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 ηη^ΑΡΑη Co« + » mit

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 liegt, ein

Stromkreis, in dem ein Widerstand Rl mit einer Zenerdiode VRDl in Reihe geschaltet ist, und ein Stromkreis, in dem ein Widerstand R3 mit einer zweiten Zenerdiode VRD2 in Reihe geschaltet ist, gegenseitig parallel geschaltet, und an beiden Klemmen der Zenerdiode VkDl sind ein Verstellbarer Widerstand WCP, ein Widerstand RI und ein Kondensator Cl in Reihe geschaltet) während an beiden Klemmen der Zenerdiode VRDl ein Widerstand R4, ein Transistor

UJT mit riüf einem" Übergang Und die Primärwicklung P eines Impulstxansformators PT in Reihe geschaltet sind. Beide Enden der Sekundärwicklung S des Impulstransformators PT sind an die Steuerelektrode bzw. die Kathode des Gleichrichterelements SCR angeschlossen; ferner ist der Knotenpunkt zwischen dem Widerstand /?2 und dem Kondensator Cl mit dem Emitter des Transistors UJT verbunden. Es sei bemerkt, daß die Zenerspannung der Zenerdiode VRDIi scickiiv su ciilgcsiciii isi, uau sie fiicdf igef isi als der niedrigste Wert von z. B. 17 V 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 Rl 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 R2 aufgeladen. Wenn der Kondensati.5· 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 R2 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 R3, R4 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 VRD2 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 Zenerdiode VRDl ohne Rücksicht auf die Anderungen der Werte 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 beginfit 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 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 Elektrodendrahtes erhöht; wenn der Lichtbogen dagegen nur während einer kurzen Zeitspanne aufrechterhalten wird, verringert sich die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes 3. Somit wird die

ι ι _..i : i:_i.„:^ j„_ rri-i-* ι-, ι u»

y iriai-iiuugcai-iiwiiiuigitcii vie» l^icmiuuciiui aiitca νυιι 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 Elektrodenvorschubgeschwindigkeit, 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 tf ergibt, die in der beschriebenen Weise mit dem Augenblick 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 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 T=I bis 25 Millisekunden beträgt, und wenn man in dem in Fig. 5 dargestellten Fall annimmt, daß η = 100/s ist, ergibt sich, daß T= 100 Millisekunien ist.

Wenn der Widerstandswert des verstellbaren Widerstandes WCP geändert wird, ergeben sich gemäß der vorstehenden Beschreibung für die zeitliche Verzögerung z. B. folgende Werte:

tf = 0 tf = 0,5 T

tf = 0,7 T und tf = 0,9 T

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-Lichtbogenschweißverfahrens in der erforderlichen Weise zwangsläufig und mit höchster Genauigkeit geregelt wird, und daß es daher möglich ist^ ständig die richtigen Schweißbedingungen aufrecht^ zuerhalten, so daß gleichmäßige und hervorragende Ergebnisse erzielt werden.

Abgesehen von deri 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 Lichtbogenschweißvörrichtungen 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 üie Belastung ües

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 Werk'tuck und in Reihe mit dem Elektrodenvorschubmotor anzuordnen, um das Gleichrichterelement als Schaltvorrichtung zu benutzen, durch die die Zufuhr von Strom zu dem Elektrodenvorschubmotor unterbrochen oder

in 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 Be-

Ii nutzung einer halbautomatisch arbeitenden Lichtbogenschweißvorrichtung der Elektrodendraht mit Hilfe des Vorschubmotors vorgeschoben wird, wobei der Elektrodendraht über eine flexible Führung mit einer Länge vöi'i mehreren meiern ZügcfÜhfi wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Q 98 1QR Patentansprüche:

1. Kurzschluß-Lichtbogenschweißvorrichtung zur Kurzschlußschweißung eines Metallwerk- ' Stücks, mit einer Schweißelektrode,

einem Elektrodenvorschubmechanismus zum Zuführen der Schweißelektrode zur Schweißzone des Metallwerkstücks,

einem Elektrodenvorschubmotor zum Antrei- i" ben des Elektrodenvorschubmechanismus mit einer variablen Geschwindigkeit, die sich entsprechend den Änderungen der dem Motor zugeführten Eingangsleistung ändert,

einer mit dem Motor verbundenen Energiever- ' > sorgungsquelle zu dessen Energieversorgung,

und mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der dem Elektrodenvorschubmotor zugeführten Eingangsleistung,

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- -" einrichtung einen gesteuerten Gleichrichter (7) aufweist, der zwischen die Elektrode (3) und das Metallwerkstück (4) und in Reihe mit dem Elektrodenvorschubmotor (8) geschaltet ist, und daß eine Leitfähigkeitsphasen-Steuerschaltung (9) -'"> vorhanden ist zur Steuerung der Leitfähigkeitsphase des gesteuerten Gleichrichters (7) derart, daß dieser zu einer vorbestimmten Zeit nach dem Zünden des Schweißlichtbogens zwischen Elektrode und Metallwerkstück leitend wird. i"

2. Vorn-htung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungsquelle zur Energieversorgung ues Motors (8) die Schweißenergiequelle UMiaßf und daß die Steuereinrichtung einen zwischen a,e Elektrode (3) und π das Metallwerkstück (4) und in Reihe zum Elektrodenvorschubmotor (8) geschalteten gesteuerlen Gleichrichter (7) und eine parallel zum gesteuerten Gleichrichter (7) und zwischen die Elektrode (3) und das Metallwerkstück (4) geschaltete J< > Zenerdiode aufweist, deren Zeners.pannung niedriger ist als der minimale Spannungswert zur Aufrechterhaltungeines Schweißlichtbogens zwischen Elektrode und Metallwerkstück.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- ■*'< durch 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 (.V) an die Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters (SCK) angeschlossen ist. so daß der gesteuerte Gleichrichter leitfähig gesteuert wild, wenn der Unipo- >"> lartransistor ( UJT) leitet

4 Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dall der F'ingang der Unipolartransistorschaltung einen variablen Widerstand (WCP) zur Steuerung der Einschaltverzögerung des Uni- mi polartransistors (UJT) aufweist, und daß die \Jt\U polartransistorschaltung parallel zu einer Zenerdiode ( VRDV) geschaltet ist, um das Eingangssi'· gfial der UnipölartransistorschaltUng auch bei Änderungen der Schweißlichtbogenspannung kon- b^r> stant zu halten.

Die Erfindung betrifft eine Kurzschluß-Lichtbogenschweißvorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind Kurzschluß-Lichtbogenschweißvorrichtungen bekannt, bei denen die Schweißelektrode mit einer bestimmcen konstanten Geschwindigkeit, die dem gewählten Wert sowohl des Schweißstroms als auch der Lichtbogenspannung 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 Zahl 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 Kurzschlusser zwischen der Schweißelektrode und dem Grundmetall erzeugte Kurzschlußstrom sowie der Lichtbogenstrom und die Lichtbogenspannung, die während der Brennzeit des Lichtbogens auftreten, bei allen Arbeitsperioden gleichmäßig sind, daß zweitens die Herstellung des Kurzschlusses und die Zündung des Lichtbogens regelmäß^:g und in gleichmäßigen Zeitabständen wiederholt werden, daß ferner die Dauer des Kurzschlusses 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 urd zun. ⁷.ünden 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 Sehweißelektrode eine nicht vermeidbare ungünstige Wirkung ausüben, d. h. es wurden Änderungen der Spannung /wischen der Schweißelektrode und dem Werkstück auftreten und ferner wurden sich die Kur/schlußzeiten und die I.ichtbogenbrenn/eiten verändern. Wenn man die Schweißelektrode einfach mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit vorschiebt, können gleichmaßige Kurzschluß- uml l.ichthogcnphasen nicht erwartet werden, denn der Ablauf des Sihweißvorgangs wird durch sich in der Nahe der Schweißstelle abspielende Vorgänge gestört

Nimmt man an. daß die Schweißt Iektrode 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 Kurzschlußslroms, der durch die Schweißelektrode fließen soll, Während das freie Ende der Elektrode in das Schmelz-