DE2100651C3

DE2100651C3 - Circuit arrangement for stabilizing an AC welding arc

Info

Publication number: DE2100651C3
Application number: DE19712100651
Authority: DE
Inventors: August Frederick Union N.J. Manz (V.St.A.)
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1970-01-09
Filing date: 1971-01-08
Publication date: 1976-01-15

Description

S=AOSS; ^S = AOSS; ^

aus Induktivität und Kapazität derart abgestimmt selstromkomponente ist, daß ihre Resonanzfrequenz im wesentlichen ,o Dabei ^ gle,ch der Frequenz der Stromquelle ist. ^f^ The self-current component is matched from inductance and capacitance in such a way that its resonance frequency is essentially equal to the frequency of the current source. ^ f ^

Frequenz der Stromquelle ist.Frequency of the power source is.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von be-The invention is described below with reference to

S5 vorzugten Ausführungsbeispielen näher eriäutert. In Die Erfindung betrifft eine Schatong^ordnung den Zdd>»«»f »«'§,,„ _{Form dne} _Manac _Lichl.S5 preferred embodiments explained in more detail. The invention relates to a Schatong order den Zdd> »« »f» «'§ ,," _{Form dne} _Manac _Lichl .

Stromquelle und dem Lichtbogen liegt und die vorgesehenen passiven Bhndwiderstandsnetzwerkes,Power source and the arc and the intended passive resistor network,

Wechselstromkomponente des Lichtbogenstromes undAC component of the arc current and

durchläßt, jedoch sein. Gleichstromkomponente F^ t lets through, however, be. DC component F ^ t

aWde bisher davon ausgegangen, daß Wech- 35 die funktionsmäßig der Ausführungsform nachUp to now it has been assumed that Wech- 35 the functionally according to the embodiment

»elstromlichtbögen zwei unerwünschte Eigenschaf- F i g. 2 aquiva ent sind.»Electric arcs are two undesirable properties- F i g. 2 aquiva ent.

ten, nämlich Lichtbogeninstabilität und Lichvbogen- In Fig. 1 ist eine typische bekannte mit emem unsymmetrie, haben. Die Lichtbogeninstabilität ist Wechselstromhchtbogen arbeitende WIG-Schweißdarauf zurückzuführen, daß der Lichtbogen am Ende einrichtung veranschaulicht. Die Elektrode £ und das jeder Halbperiode des Stromflusses zu verlöschen 4« Werkstück W liegen in Reihe mit einer herkommsucht, während die Lichtbogenunsymmetrie durch liehen Wechselstromquelle, die in ihrer einfachsten die Unterschiede des Lichtbogenwiderstandes wäh- Form aus einem Transformator und einer einstellrend den Halbperioden mit negativ, bzw. positiv ge- baren Induktivität besteht. Die m Hg. 1 mit ^₀ bepolter Elektrode verursacht ist. Die Lichtbogen- zeichnete einstellbare Induktivität erlaubt eine Steueunsymmetrie führt zu einer natürlich auftretenden 45 rung des Stromes. Der Transformator ist als eine Gleichstromkomponente des Lichtbogenstromes, die Wechselstromquelle mit dem Innenwiderstand K darbisher als abträglich für eine Stabilisierung des Wech- gestellt. Ein Lichtbogen wird in herkömmlicher Weise selstrombogens betrachtet wurde, und die man in- zwischen der Elektrode E und dem Werkstuck W ausfolgedessen gewöhnlich zu vermeiden suchte. gebildet. Wenn der Lichtbogenstrom in Abhängigkeitth, namely arcing instability and arcing In Fig. 1 is a typical known with emem asymmetry. The arc instability is due to AC true arc TIG welding due to the fact that the arc at the end illustrates device. The electrode £ and the every half cycle of the current flow to extinguish 4 «workpiece W are in series with a coming, while the arc asymmetry borrowed from an alternating current source, which in its simplest form the differences in the arc resistance from a transformer and one setting the half-periods with negative , or positive inductance exists. The m Hg. 1 _{is caused by a ^ 0} polarized electrode. The adjustable inductance marked by an arc allows a control asymmetry which leads to a naturally occurring current. The transformer is a direct current component of the arc current, the alternating current source with the internal resistance K has so far been shown to be detrimental to stabilizing the change. An electric arc is conventionally viewed as a self-current arc, and which, as a result, one tried to avoid in the meantime between the electrode E and the workpiece W. educated. When the arc current in dependence

Jedoch sind auch schon Schaltungsanordnungen 50 von der aufgedrückten Wechselspannung seine PoIabekannt geworden, die auf eine Erhaltung oder so- rität ändert, sucht der Lichtbogen wahrend der Nullgar Verstärkung des Gleichstromanteiles in einem durchgänge des Stromes zu verloschen. Dies fuhrt zu Wechselstrom-Schweißlichtbogen hinwirken (US-PS einem flackernden und instabilen Lichtbogen. Wenn 30 68 352 und GB-PS 7 32 230). der Lichtbogen ausgeht, kann er dadurch wieder ge-However, circuit arrangements 50 are also already known for their potential from the applied alternating voltage which changes to a conservation or sameness, the arc tries to extinguish during the zero-point amplification of the direct current component in one passage of the current. This leads to AC welding arc work towards (US-PS a flickering and unstable arc. If 30 68 352 and GB-PS 7 32 230). the arc goes out, it can be

Unabhängig davon sind andererseits Schaltungs- 55 zündet werden, daß an den Spalt zwischen der Elek- «nordnungen'bekannt geworden, die einen Wechsel- trodeE und dem Werkstück W eine Spannung ausstrom-Schweißlichtbogen stabilisieren, ohne — wie reichender Größe angelegt wird, um eine leitende vielfach üblich — eine hochfrequente Hochspannung Strecke erneut zu ionisieren. Die Größe der fur die zu überlagern oder die Leerlaufspannung unzulässig Ausbildung einer leitfähigen Strecke erforderlichen zu erhöhen (DT-PS 8 32 463). Hier ist neben der 60 Spannung hängt von den Arbeitsbedingungen am Lichtbogenstabilisierung auch die Möglichkeit offen- Spalt ab, d. h. davon, ob als Schutzmedium ein gelassen, einen geringen Teil (5 bis 10%) der Gleich- Schutzgas oder ein Schweißmittel verwendet wird, Stromkomponente durchzulassen, jedoch mit der Vor- von der Art der benutzten Elektrode (abschmelzende stellung, daß die Stabilität des Wechselstromlichtbo- oder nichtabschmelzende Elektrode) von der Zugens verbessert werde, wenn man den Gleichstrom- 65 sammensetzusg der Elektrode und des Werkfluß in dem Schweißstromkreis beseitigt oder wenig- Stückes, von der Spaltlänge u. dgl. Ist die Leerlaufstens auf einen geringen Wert vermindert. spannung der Wechselstromquelle als solche nichtIrrespective of this, on the other hand, circuits have been ignited that have become known to the gap between the electrodes, which stabilize an alternating electrode E and the workpiece W of a voltage discharge welding arc without being applied by an amount of sufficient magnitude Conductive common practice - to re-ionize a high-frequency high-voltage line. The size of the required for superimposing or the no-load voltage inadmissible formation of a conductive path must be increased (DT-PS 8 32 463). In addition to the 60 voltage, the working conditions at the arc stabilization also allow the possibility of an open gap, i.e. whether a small part (5 to 10%) of the protective gas or welding material is used to let current components through However, with the advantage of the type of electrode used (consumable position that the stability of the alternating current arc or non-consumable electrode), the drawing is improved if the direct current composition of the electrode and the work flow in the welding circuit are eliminated or little - piece, of the gap length and the like, the idling is reduced to a low value at most. voltage of the alternating current source as such

Demgegenüber wurde erfindungsgemäß festgestellt, ausreichend, um für die zum Wiederzünden desIn contrast, it was found according to the invention, sufficient for the reignition of the

Lichtbogens erforderliche Spannung zu sorgen, was im allgemeinen der Fall ist, weil aus Sicherheitsgründen mit einer niedrigen Leerlaufspannung gearbeitet werden muß, ist es notwendig, Hilfsmaßnahmen einzusetzen. Arc voltage required, which is generally the case because for safety reasons If you have to work with a low no-load voltage, it is necessary to use remedial measures.

Es wurde theoretisch gefunden, daß ein Blindwiderstandsnetzwerk bestehend aus einer Reihenschaltung einer Induktivität und einer Kapazität, denen eine weitere Induktivität parallelgeschaltet ist, sowohl für eine zum Wiederzünden des Lichtbogens geeignete Spannung sorgt als auch die natürlich auftretende Gleichstromkomponente des Lichtbogenstromes durchläßt. Experimente ergaben, daß ein derartiges Netzwerk im wesentlichen entsprechend den theoretischen Erwartungen arbeitet.It has theoretically been found that a reactance network consisting of a series connection of an inductance and a capacitance, to which a further inductance is connected in parallel, provides a voltage suitable for re-igniting the arc as well as the naturally occurring voltage Direct current component of the arc current lets through. Experiments showed that such a Network works essentially in accordance with theoretical expectations.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgcmäßen Blindwiderstandsnetzwerkes ist in Fig.2 veranschaulicht und weist einen Kondensator C₁ in Reihe mit einer Drossel L₁ auf; der Reihenschaltung liegt eine zweite Drossel L₂ parallel. Das Blindwiderstandsnetzwerk wird als passives Netzwerk bezeichnet, da es keine aktiven Komponenten oder Energiequellen enthält. Wenn ein derartiges Netzwerk in Reihe mit der Wechselstromquelle nach F i g. 1 gelegt wird, hat es, wie gefunden wurde, nur geringen oder keinen Einfluß auf die Wechselstromkomponente des Lichtbogenstromes, während es praktisch die gesamte Gleichstromkomponente des Lichtbogenstromes ungeändert durch den Lichtbogen-Stromkreis laufen läßt. Der Kondensator C₁ und die Drossel L₁ sorgen bei richtiger Auswahl für das erforderliche zusätzliche Wiederzündpotential für die Aufrechterhaltung eines sich selbst haltenden Wechselstromlichtbogens, L₁ und C₁ sind vorzugsweise so bemessen, daß ihre Resonanzfrequenz mit der Frequenz der Wechselstromquelle zusammenfällt, wodurch der Einfluß dieser Bauteile auf den Strom während des Betriebs im eingeschwungenen Zustand minimal gehalten wird.A preferred embodiment of the reactance network according to the invention is illustrated in FIG. 2 and has a capacitor C ₁ in series with a choke L ₁ ; the series circuit has a second throttle L _{2 in} parallel. The reactance network is called a passive network because it does not contain any active components or energy sources. When such a network is in series with the AC power source of FIG. 1, it has, as has been found, little or no influence on the alternating current component of the arc current, while it allows practically the entire direct current component of the arc current to run unchanged through the arc circuit. The capacitor C ₁ and the choke L _1, if selected correctly, provide the additional reignition potential required to maintain a self-sustaining alternating current arc, L ₁ and C ₁ are preferably dimensioned so that their resonance frequency coincides with the frequency of the alternating current source, thereby reducing the influence these components on the current is kept to a minimum during operation in the steady state.

Im Resonanzfall sind die Spannungsvektoren von L₁ und C₁ einander gleich und entgegen gerichtet. Der Wiederzündspannungsvektor am Lichtbogenspalt nach Erlöschen des Lichtbogens entspricht der Vektorsumme der Quellenspannung und der Spannung am Kondensator C₁. Theoretisch kann die Größe des Wiederzündspannungsvektors durch geeignete Auswahl von L₁ und C₁ für einen vorgegebenen Lichtbogenstrom auf jeden gewünschten Wert gebracht werden.In the case of resonance, the voltage vectors of L ₁ and C ₁ are equal to each other and directed in opposite directions. The re-ignition voltage vector at the arc gap after the arc has been extinguished corresponds to the vector sum of the source voltage and the voltage across the capacitor C ₁ . Theoretically, the magnitude of the re-ignition voltage vector can be brought to any desired value for a given arc _{current by suitable selection of L 1} and C _1.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kommt es nicht darauf an, das .YL₁ = XC₁ ist, wobei XL₁ der induktive Blindwiderstand von L₁ und XC₁ der kapazitive Blindwiderstand von C₁ ist. Wenn jedoch vom Resonanzzustand abgewichen wird, ändert sich der Phasenwinkel zwischen dem Wiederzündspannungsvektor und dem Lichtbogenstrom, wodurch der Absolutwert der Wiederzündspannung verringert wird.
Die in F i g. 2 veranschaulichte parallelgeschalteteIn the context of the present invention it is not important that .YL ₁ = XC ₁ , where XL _{1 is} the inductive reactance of L ₁ and XC _{1 is} the capacitive reactance of C ₁ . However, when deviating from the resonance state, the phase angle between the re-ignition voltage vector and the arc current changes, whereby the absolute value of the re-ignition voltage is reduced.
The in F i g. 2 illustrated in parallel

ίο Drossel L₂ läßt die natürlich auftretende Gleichstromkomponente des Lichtbogenstromes passieren, die andernfalls durch den Kondensator C₁ blockiert würde. Die Drossel L₂ ist so zu bemessen, daß sie einen möglichst niedrigen Gleichstromwiderstand hat und ihr induktiver Blindwiderstand wesentlich größer als der kombinierte Widerstand von C₁ und L₁ ist, so daß der Anteil des Wechselstromes, der über L₂ fließt, klein im Vergleich zu dem über C₁ und L₁ fließenden Wechselstrom ist. Auf diese Weise las-ίο Choke L ₂ allows the naturally occurring direct current component of the arc current to pass, which would otherwise be blocked _{by the capacitor C 1.} The choke L ₂ is to be dimensioned so that it has the lowest possible direct current resistance and its inductive reactance is significantly greater than the combined resistance of C ₁ and L ₁ , so that the proportion of the alternating current _{flowing through L 2} is small in comparison to the alternating current flowing _{through C 1} and L _1. In this way

ao sen C₁ und L₁ die Wechselstromkomponente des Lichtbogenstromes passieren und sperren die Gleichstromkomponente, während L₂ die natürlich auftretende Gleichstromkomponente durchläßt und die Wechselstromkomponente sperrt. Das Blindwider-Standsnetzwerk führt insgesamt zu einem in hohem Maße stabilen Wechselstromlichtbogen und hat im übrigen auf die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1 nur geringen oder gar keinen Einfluß.ao sen C ₁ and L ₁ pass the alternating current component of the arc current and block the direct _{current component, while L 2} allows the naturally occurring direct current component to pass and blocks the alternating current component. Overall, the reactive resistance network leads to a highly stable alternating current arc and, moreover, has an effect on the mode of operation of the circuit according to FIG. 1 little or no influence.

Bekanntlich lassen sich die Eigenschaften jedes vorgegebenen Blindwiderstandsnetzwerkes reproduzieren, indem die Elemente des Netzwerkes umgeordnet und ihre Größe entsprechend anders bemessen wird. F i g. 3 zeigt zwei dem Aufbau nach abgewandelte Netzwerke, die funktionsmäßig dem bevorzugten Netzwerk nach F i g. 2 entsprechen. Um für eine funktionsmäßige Äquivalenz zu sorgen, ist die Bemessung jedes der Elemente entsprechend der jeweils gewählten Anordnung zu ändern. Unabhängig von dem im einzelnen gewählten Schaltungsaufbau soll die Erfindung infolgedessen jedes passive Blindwiderstandsnetzwerk einschließen, das aus einem ersten äquivalenten Stromkreis in Form einer Serierischaltung aus einer Induktivität und einer Kapazität zur Ausbildung einer Wiederzündspannung sowie einem zweiten äquivalenten Stromkreis besteht, der im wesentlichen von einer Induktivität gebildet wird, die parallel zu dem ersten äquivalenten Stromkreis geschaltet ist und die natürlich auftretende Gleichstromkomponente des LichtbogensUomes passierenIt is well known that the properties of any given reactance network can be reproduced, by rearranging the elements of the network and resizing them accordingly will. F i g. 3 shows two structurally modified networks that are functionally preferred Network according to FIG. 2 correspond. To ensure functional equivalence, the Change the dimensioning of each of the elements according to the chosen arrangement. Independent As a result of the particular circuit construction chosen, the invention is intended to apply to any passive reactance network include that of a first equivalent circuit in the form of a series connection from an inductance and a capacitance to form a re-ignition voltage and a second equivalent circuit, which is essentially formed by an inductance, which is connected in parallel with the first equivalent circuit and the naturally occurring direct current component of the arc Uomes happen

So läßt.So lets.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

that an alternating current arc can be stabilized Patent claims: can> onne. in: light arc circuit the naturally occurring direct current component of the arc

1. Circuit arrangement for stabilizing an au »retenae u suppress and without

AC welding arc, m.t emem ^ "J ^ Tomkornponcnte des Arc * ™ - ■

Reaction element from inductance and capacitance 5 the alternating current ^^

liiät zürn construction of an additional arc mesne ^ * " ⁵ ^ ™ _should accordingly a

Re-ignition voltage, which is in series with the μ "^ _{n to} stabilize an alternating

Power source and the arc and the ^ "" SSi arc are created that

AC component of the arc current ^^ gjS ¹ _em ! _ac hen means achieved that