DE2101088A1 - Einrichtung zum elektrischen Licht bogenschweißen - Google Patents

Description

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Osnabrück, den 11. Jan. 1971 ο-ι η ι no ο

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Firma Kjellberg-Esab GinbH

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Einrichtung zum elektrischen Lichtbogenschweissen«

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum elektrischen Lichtbogenschweissen mit abschmelsender_f mit konstanter Geschwindigkeit vorgeschobener Elektrode unter Verwendung einer Gleichstromquelle und einer im SchweissStromkreis vorgesehenen Drosselspule, die von einem TIebenzweig überbrückt ist, der einen derart gepolten Einweg-Gleichrichter enthält, dass der Gleichrichter von der in der Drosselspule bei Zunahme des magnetischen

Flusses induzierten Spannung in der Sperrichtung beansprucht ^ wirdo Diese Erfindung bezieht sich im ersten Räume auf das TTurzlichtbogenschweissen (auch als Schweissen mit kurzschliessender Metallübertragung bekannt) mit einer Schweissstromquelle, deren Kennlinie einen flachen Verlauf bzw, einen Abfall von höchstens 8 Volt je 100 Ampere aufv/eist.

Beim Kurzlichtbogenschweinsen setzt sich der Schweissvorgang bekanntlich aus mehr oder weniger regelmässig nachelnanderfolgenden, durch lichtbogenintervalle getrennten Kurzschlussinter-

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vallen zusammen. Einrichtungen der oben angegebenen Art sind vorgeschlagen (sieh die britische Patentschrift Hr₉ 1*209.913), in welchen der Einweggleichrichter des ITebenzweigs dazu dient, die Drosselspule während des Lichtbogenintervallec lcurszu— schliessen. Die Einrichtung soll so wirken, dass der Gchv/eissstrom beim Anfang des Kurzschlussintervalles sprungartig auf einen Wert ansteigt, der nicht wesentlich niedriger als der Gipfelwert des Kurzschlussstroms ist« Dieses Ergebnis erklärt sich dadurch, dass der Einweggleichrichter sofort bein Einsetzen de3 Kurzschlusses nichtleitend wird, sodass der während des vorangehenden lichtbogenintervalles durch den von der Drosselspule und dem Gleichrichter gebildeten 3chwungradStromkreis fliessende Strom nunmehr durch den Schweissstronikreis zu fliessen hat. Die beschriebene Arbeitsweise setzt offenbar voraus, dass der Zeitkonstant L/R des Schwungradstromkreises gross und die in diesen Stromkreis während des lichtbogenintervalles verbrauchte Energie entsprechend niedrig ist, da sonst der Strom des Schwungradstrorakreis auf einen niedrigen Wert am Ende des Lichtbogenintervalles abfällen wird. Die Einrichtung weist den Nachteil auf, dass die während des Lichtbogenintervalles durch den Gleichrichter kurzgeschlossene Drosselspule keinen Beitrag zu der zum V/iederzünden des Lichtbogens erforderlichen Spannungsüberhöhung oder Spannungsspitze beim Anfang des Lichtbogenintervalles leisten kann» Man nuss den Schweissstromkreis mit einer zusätzlichen, nicht vom Gleichrichter überbrückten Drosselspule oder mit anderen Mitteln zum Liefern der erforderlichen Spannungsüberhöhung bzw. sum Regeln der Kurzschlussfrequenz ergänzen.

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Ein Zv/eck der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, dass sie nicht nur einen im wesentlichen sprungartigen Stromanstieg am Beginn des auf einen liohtbogenintervall folgenden Kurzschlussintervall liefert, sondern auch imstande ist, eine wesentliche Spannungüüberhühtuig zu Beginn des Lichtbogenintervalles zu liefern* Ein weitererZv/eck der Erfindung besteht darin, Störungen oder Versagungen des den SchweissVorgang einleitenden Startvorganges durch eine besondere Ausbildung der Einrichtung au verhindern. d

Gemäss einem Hauptmerkmal der Erfindung ist in dem llebensweig ein mit dem Gleichrichter in Reihe geschalteter Widerstand vorgesehen.

Die Erfindung soll jetzt an Hand der anliegenden Zeichnung näher erläutert v/erden.

Pig. 1 stellt das Schaltschema einer Ausführungsform der Erfindung dar.

Pig. 2 ist ein Stromdiagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Einrichtung gemäss Pig. 1. I Pig. 3 stellt das Schaltschema einer aweiten Ausführungsform dar.

Bei der Einrichtung gemäss Pig. 1 ist an eine Gleichstromquelle 1 ein Schweissstromkreis angeschlossen, welcher von der Plusklemme 1 der Stromquelle über die Drosselspule 4, die Wicklung des Schweissstromrelais 5_t die Kontaktröhre 6, die schmelzbare Elektrode 7» das Werkstück 8 und die Masseleitung 9 zur Hinusklemme 3 der Stromquelle verläuft. Die Stromquelle 1 hat eine flache Kennlinie und kann z.B· ein umlaufender Generator oder ein Drehstromtransformator mit nachgeschalteter Gleichrichter-

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brücke sein. Die Elektrode 7 wird durch die schematisch angedeutete Drahtvorsehubvorrichtung mit konstanter, einstellbarer Geschwindigkeit vorgeschoben· Die Drosselspule 4 wird von einem Hebenzweig überbrückt, welcher den Einweggleichrichter 11 in Reihe mit dem Ruhekontakt 5a des Schweissstromrelais 5 und den regelbaren Widerstand 12 enthält. Die Verbindung des Kontaktes 5a mit dem einen Ende des Widerstandes 12 ist auch mit dem einen Ende eines zweiten regelbaren Widerstandes 13 verbunden, dessen anderes Ende mit den Schaltglied eines Dreiwegschalters 14 verbunden ist. In der lage I des Schalters überbrückt der Widerstand 13 den Ruhekontakt 5a. In der Lage II des Schalters überbrückt der Wideretand 13 die Reihenschaltung des Gleichrichters 11 und des Ruhekontaktes 5a. In der Lage III des Schalters ist der V/iderat and 13 ausgeschaltet.

Da die Stromquelle eine flache Kennlinie aufweist, wird der statische Kurzschlussstrom des Schv/eiss Stromkreises um ein Mehrfaches höher als der Mittelwert des Schweissstrones sein. Die Kennlinie ist im allgemeinen nicht ganz horizontal, sondern v/eist eine neigung von unten von etwa 3 bic 8 Volt je 100 Ampere auf. Die Klemmenspannung ist für Kurzlichtbogenschweissen abgepasst und ist somit nicht imstande, einen dauernd (ohne Kurzschlüsse) brennenden Lichtbojen unter den vorliegenden Bedingungen aufrecht zu erhalten.

Das Schweissstromrelais arbeitet mit einer gewissen Verzögerung sowohl beim Ansprechen als auch beim Abfall.

In der nachfolgender. Beschreibung der Wirkungsweise der Einrichtung wird angenommen, dass eic¹·! der Schalter 1-1 in der Laje III befindet. V,ei der Einleitung des Sehweissvorjo^ge.-; ict. ,1 er Irü:ckontali h 5a geschlossen, da .!er ooLv/oiGcc+r-ir.i'-r

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ORIGINAL

stromlos und das Relais somit nicht erregt ist« In dem Augenblick t_Q (Fig. 2), in welchem die Elektrodenspitzo mit dem Y/erkstück in Berührung gebracht wird, fängt ein Kurzschlussstrom i^ an zu fliessen. Der Kurzschlussstrom wächst mit einer durch die Gesamtinduktivität und den Kurzschlusswiderstand des Schweiosstromkreises gegebenen Geschwindigkeit an_e Die dabei entstehende induktive Spannung der Drosselspule 4 beansprucht den Einweggleichrichter 11 in der Sperrrichtung, sodass der Nebenzweig 12-5a-11 stromlos bleibt. Im Zeitpunkte t.. hat der Kurzschlussstrom den Wert i, i

erreicht, bei welcher ein Abschmelzen der Elektrode eintritt, oodass der Kurzschluss unterbrochen und der Lichtbogen gezündet wird» Da der durch die Drosselspule fliessende Strom nunmehr abnehmend ist tind somit die in ihr induzierte Spannung ihre Richtung wechselt, lässt der Gleichrichter 11 ;jetzt einen Strom i^ durch den ITebenzweig 12-5a-11 durch. Der Iichtbogenstrom i 3tellt den Unterschied zwischen dem Drossel-

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spulenstrom I₁ und dem im Nebenzweig fliessenden Strom i dar· Der Widerstand 12 ist im Verhältnis zti dem wirksamen Widerstand des Schweissstromkreises so gewählt, dass die am Beginn f des Lichtbogenintervalls auftretende Strom i wesentlich kleiner alc der Drosselspulenstrom i.. ist, aber andererseits einen wesentlichen Teil des Drosselspulenstroms i.. darstellt. Diese Anforderungen auf die Höhe des Widerstandes 12 laseen sich durch die Angabe zusammenfassen, dass bei abnehmendem Drofiselspulenstrom der Widerstand einen wesentlichen Teil der in der Drosselspule frei werdenden magnetischen Energie verbrauchen soll. Dadurch wird erreicht, dass der dem Lichtbogen zugeführt© Strom und die dem Lichtbogen zugefiüirte ■ Spannung zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens während einer

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begrenzten Zeitdauer ausreichen, aber nicht so gross sind, dass ein zu schnelles Abschmelzen der Elektrode einsetzt« Zur Erläuterung der Bedeutung dieser Tatsache sei bemerkt, dass bei der Einleitung des Sehweissvorgangs die Elektrode und das Werkstück kalt sind, und dass somit zum Abschmelzen der Elektrodenspitze eine verhältnismässij grouse Energie erforderlich ist. Der Gipfelwert i_{fc may} des bei dem ersten Kurzschluss einsetzenden Kurzschlussstromes wird deshalb grosser als bei -den darauffolgenden Kurzschlüssen sein»

-schweissen
Bei der beim Kurzlichtbogen/üblichen Schaltung, in v/elcher kein Nebenschluss des Induktanzgliedes vorgesehen ist unöi somit während des Lichtbogenintervalls die gesamte frei werdende magnetische Energie dem lichtbogen zugeleitet wird, besteht deshalb die Gefahr, dass das Abschmelzen der Elektrode nach der Unterbrechung des ersten Kurzschlusses so rasch erfolgt, dass die Lichtbogenlänge auf einen übermässigen 7/ert ansteigt, was wiederum das Löschen des Lichtbogens vor dem zweiten Kurzschluss mit sich bringt, da der abfallende Strom den langen Bogen nicht langer unterhalten kann. Es entsteht 3omit ein stromloses Intervall. Dieser ungünstige Vorgang wird bei der erfindungsgemässen Vorgang durch das Vorhandensein des den Widerstand 12 enthaltenden Nebenzweigs vermieden.

Die Ansprechverzögerung des Relais 5 soll derart sein, dass der Ruhekontakt 5a wenigstens während des ersten Kurzschlussintervalls und des darauffolgenden Lichtbogenintervalls geschlossen bleibt. Im allgemeinen kann man nicht damit rechnen, dass bereits das erste Lichtbogenintervall dazu ausreicht, für die darauffolgende Wiederzündung des Lichtbogens normale WiederzUndungsverhältnisse herzustellen, Ea ist deshalb vorzuziehen, die Ansprechverzögerung des Relais 5 so zu wählen,

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dass der Ruhekontakt 5a wenigstens während der beiden ersten

ICursschlucsintervalle (und der auf sie folgenden Lichtbogenintervalle) geschlossen bleibto Beim Verschweicsen von dünnen Blechen (Stärke 2 mm und darunter) unter Verwendung von Elektroden vom Durchmesser 0,6 bis 1,2 ram haben sich Ansprechverso'ceruiigen in der Höhe von 0,3 "bis 0,5 Sekunde bewährt <> Die Ansprechverzögerung ist auf keinen Fall höher als etwa 1 Sekunde su wählen.

!lach dem Unterbrechen des Ruhekontakts 5a fliesst der gesamte Schweissstrom durch die DrosKelspule 4, vorausgesetzt dass der Dreiwegschalter 14 in der Lage III steht» Wenn der Schalter

in der Lage I steht, ist die Drosselspule 4 mit einem Strom- ^ sweig parallel geschaltet, welcher den Gleichrichter 11 in

enthält
Reihe mit den Widerständen 12 und 13/ deren letzterer während der Startperiode durch den Ruhekontakt kurzgeschlossen wird. Die sich nach dem öffnen des Ruhekontakts 5a ergebenden Strom-Irurven weisen in diesem Falle denselben grundsätzlichen Verlauf wie bei geschlossenem Ruhekontakt 5a auf, wobei aber der durch die Widerstände 12, 13 fliessende Strom i_ und somit auch der Unterschied'zwischen dem Drosselspulenstrom i- und dem Lichtbogenstrom i_ kleiner als bei geschlossenem Ruhe— j

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kontakt 5a sind. Wenn der Schalter in der Lage II steht, schaltet die Unterbrechung des Ruhekontakts 5a den Gleichrichter 11 aus, während die Reihenverbindung der Widerstände 12 und 13 einen Nebenschluss der Drosselspule 4 bildet und in bekannter Weise zur Steuerung des Stromverlaufes während des Schweissvorgangs beiträgt.

In der Einrichtung gemäss ]?ig« 3 ist die Drosselspule 15 durch die Leiter 16, 17 mit einem Nebenzweig parallel geschaltet,' welcher den Gleichrichter 18 in Reihe mit einem Widerstand 19 enthalte Der Widerstand 19 entspricht dem '.'Widerstand 12 der

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Pig. 1. Der Gleichrichter 18 ist ein Thyristor, dessen Steuerelektrode 18a an einen Zündstromkreis angeschlossen ist, welcher vom Leiter 17 über den Widerstand 20, den Einweggleiclirichter 21 und den Kondensator 22 zur Steuerelektrode 18a verläuft. Der Thyristor wird von einem Widerstand 23 überbrückt, dessen Hauptaufgabe darin besteht, den Thyristor vor allzu hohen Spannungsspitsen in der Sperrichtung zu schützen.

Der Thyristor ist nichtleitend, wenn noch kein Schweissstrora fliesst, und bleibt nichtleitend während des ersten Kurzschluss Intervalls, da die in der Drosselspule dann erzeugte induktive Spannung in der Sperrichtung des Thyristors wirkt. Bei der Unterbrechung des Kurzschlusses wechselt die induktive Spannung ihre Richtung, wobei ein den Thyristor zündender Stromstocs durch den bereits beschriebenen Zündstromkreis fliesst. Der Kondensator 22 wird durch den Zündstromstoss auf eine Spannung aufgeladen, welcher von den Konstanten des Zündstromkreises und von der Zeitdauer von dem Augenblick, in welchem der Zündstroms toss beginnt, zu dem Augenblick, in welchem der Ladevorgang dadurch unterbrochen wird, dass der Thyristor leitend wird, abhängt. Diese Zeitdauer wird von den Eigenschaften des Thyristors bestimmt. Die Vorgänge während des ersten KurzschlussIntervalls und des darauffolgenden Lichtbogenintervalls stimmen weitgehend mit den an Hand der Pig. 1 und 2 bereits beschriebenen Vorgängen überein.

Aus dem oben in Verbindiing mit Ifigo 1 erwähnten Grunde ist es erwünscht, dass der Thyristor nicht nur während dec ersten Lichtbogenintervalls, sondern auch während mindestens eines darauffolgend on Li''IL-IlOgCi-interval] c leitend j ct. Der

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Thyristor muss zu diesem Zweck wiedergezündet werden, da er bei jedem Kurzschluss in den nichtleitenden Zustand überführt wird. Zu diesem Zweck ist die Zeitkonstante des Ladestromkreises 20, 21, 22 derart abgepasst, dass mindestens zwei nacheinanderfolgende Zündstromstösse dazu erforderlich sind, die Spannung dec Kondensators 22 auf eine solche Höhe su bringen, dass der nächste Ladestromstoss nicht zum Zünden des Thyristors 13 ausreicht.

Der den Kondensator 22 überbrückende Entladewiderstand.24 hat zum Zweck, nach Abschluss des SchweissVorgangs den Kon— densator zu entladen, damit der Thyristor wieder gezündet werden kann. Die Zeitkonstante der Widerstand-Kondensator-Kombination 22, 24 kann z.B. etwa 1 Sekunde betragen. Sie darf nicht so klein sein, dass der Kondensator in dem Lichtbogenintervall zwischen zwei Kurzschlüssen auf eine so niedrige Spannung entladet wird, dass der darauffolgende Ladestromstoss zum Zünden des Thyristors ausreicht.

Die Leiter 16, 17 der Mg₈ 1 wie auch die entsprechenden Leiter 25, 26 der Fig. 1 können gegebenenfalls an die Enden

einer Hilfs- oder Sekundärwicklung der Drosselspule 15 bzw. " 4 angeschlossen werden.

Bei den oben beschriebenen Aucführungcbeispielen werden die Schv/eisDEtromkreisparameter am Ende einer verhältnismässig kurzen Startperiode, welche einige (vorzugsweise mindestens zwei) Kurzschlussintervalle einschlie3st, durch die Einwirkung zeitabhängiger Mittel geändert, wobei die Parameter vor und nach der Änderung so abgepasst sind, dass sie ein störungsfreies Einleiten des Schweissvorganges bzw. einen ruhigen und regelmässigen Schweissvorgang mit sich bringen. Die

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beschriebenen Ausführungsformen und ihre Äquivalente eignen. sich deshalb besonders für Fälle, in welchen kurze Gchwoiüc vorgänge häufig aufeinander folgen, z»B, beim Bogenpunktschweissen«

Claims (8)

1. Ansprüche

   1,,^Einrichtung zum elektrischer, Lj.ehtbogenschweissen r.it abschmelzender, mit konstanter Geschwindigkeit vorgeschobener Elektrode unter Verwendung einer Gleichstromquelle und einer im Schweissstromkreis vorgesehenen Drosselspule, lie von einem Nebenzweig überbrückt ist, der einen derart gepolten Einweg-Gleichrichter enthält, dass der Gleichrichter von der in der Drosselspule bei zunehmendem magnetischem Fluss induzierten Spannung in der Sperrichtung beansprucht wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hebenzweig ein mit dem Gleichrichter (11, Fig. 1; 18, Fig. 3) in Reihe geschalteter Widerstand (12, Fig. Ij 19, Fig. 3) vorgesehen ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand so bemessen ist, da3s er einen wesentlichen Teil der bei Abnahme des magnetischen Flusses der Drosselspule frei werdenden Energie verbraucht.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wideretand regelbar ist.
4. 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Mittel (
5. 5, Fig. 1j 20, 21, 22, 18a, Fij, 3) zxim selbsttätigen Herabsetzen der Leitfälligkeit des ITebenzweigs in der Durchlassrichtung des Gleichrichters nach Ablauf einer vorgegebenen, auf das einleitende Schliessen des Scbweissstroms folgende Startzeit.

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   E;. Einrichtung nach Anspruch A , dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter ein Thyristor (13) ist, dor mit einem auf dec Vorliegen einer in der Durchlassrichtung dec Thyristors wirkenden Spannung ansprechenden Zündstromkreis (20, 21, 22, 18a) vorsehen ist, wobei Ilittel (20, 21, 22) vorgesehen sind, welche den Zündstromkreis nach Ablauf der Startzeit unwirksam machen.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündstromkreis zwischen der Anode und der Steuerelektrode, des Thyristors (18) eingeschaltet und aus der Reihenschaltung eines Kondensators (22) mit einem Ladungs- ' widerstand (20) und einen Einweg-G-leichrichter (21) besteht, wobei die Kapazität des Kondensators eine solche ist, dass mindestens zwei aufeinanderfolgende Zündstromstösse dazu erforderlich sind, den Kondensator auf eine Spannungshöhe aufzuladen, bei welcher die Energie der darauffolgenden Ladestromstösse nicht zum Zünden des Thyristors ausreicht·
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator von einem Entladewiderstand (24) überbrückt ist, welcher den Kondensator nach Abschluss des \ SchweissVorgangs entladet.
8. 8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7» gekennzeichnet durch einen zwischen der Anode und der Kathode des Thyristors eingeschalteten Ileberbrückungswiderstand (23)ο

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