DE2145403C3 - Vorrichtung zum elektrischen Lichtbogenschweißen mit Impulsströmen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektrischen Lichtbogenschweißen mit Impulsströmen, mit einem ersten Gleichrichter, welcher der Schweißelektrode einen Grundstrom geeigneter Stärke zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens zwischen Elektrode und Werkstück zuführt, und mit einem parallel zu dem ersten geschalteten zweiten Gleichrichter, welcher der Schweißelektrode einen den Grundstrom übersteigenden Impulsstrom bei die Ruhespannung übersteigender Impulsspannung zuführt, wobei eine Induktivität vorgesehen ist, in der während der Rückflanke jedes Stromimpulses eine Spannung in Leitrichtung des Grundstromgleichrichters derart induziert wird, daß der Schweißstrom am Ende des Impulsstromes nicht unter den Grundstrom absinkt.

Eine solche Vorrichtung ist aus dem Artikel »The Use of Pulsed Current to Control Metal Transfer in Welding« im British Welding Journal, April 1965, S.

159 bis 16b und der österreichischen Patentschrift 2 bi 752 bekannt und dient zum MIG-Schweißen mit Materialübergang während der Stromimpulse. Die Impulsfrequenz kann beispielsweise !00 b/w. 50 Hz beiragen, wenn die Spannung normaler Netzfrequenz in Doppel- oder Einweggleichrichtung gleichgerichtet wird. Es ist auch möglich, niedrigere Frequenzen zu verwenden, beispielsweise 33'/j. 25 oder lb^:/i Hz.

Die Parallelschaltung der Gleichrichter für Grundstrom und Impulsstrom bringt den Vorteil, daß der Grundstrom ebenso wie der Impulsstrom unabhängig voneinander eingestellt werden können. Jedoch hat eine derartige Parallelschaltung eine Reihe von Nachteilen hinsichtlich der Stabilität des Lichtbogens. Ein Nachteil liegt in den Schwierigkeiten hinsichtlich der Umpolung der Gleichrichter nach jedem Übergang des Impulsstromes zum Grundstrom bei der Unterbrechung des Impulsstromes: Dieser Effekt ist als Kommutationseffekt bekannt. Die Dioden für den Grundstromgleichrichter sind für hohe Impulsspannungen gesperrt und werden nur leitend, wenn die impulsspannurig genügend abgesunken ist. Infolge der nicht zu umgehenden Selbstinduklivität der Transformatoren, Drosselspulen usw. ist die Arbeitsgeschwindigkeit der meisten Gleichrichterschaltungen begrenzt.

Während der Kommutationsdauer, wenn der Impulsstrom am Impulsende schnell auf den Ruhestromwert übergeht, dann kann die Gegen-EMK, welche durch den Stromüberhang infolge der Selbstinduktion induziert wird, so hoch sein, daß der Spannungsabfall des Lichtbogens zwischen Elektrode und Werkstück so stark erniedrigt wird, daß der Lichtbogen erlöscht.

Zur Abhilfe dagegen ist beim erwähnten Stand der Technik als Stabilisierungsmaßnahme für den Lichtbogen die Einfügung einer hochinduktiven Drossel in Reihe mit den parallelgeschalteten Gleichrichtern für den Grundstrom und den Impulsstrom angegeben worden. Dadurch wird die Kommutationsdauer verlängert, so daß die Anstiegsgeschwindigkeit des Grundstromes herabgesetzt wird und damit eine niedrigere Gegen-EMK induziert wird. Die Drossel induziert während der Rückflanke jedes Stromimpulses eine Spannung in Leitrichtung des Grundstromgleichrichters derart, daß der Schweißstrom am Ende des Impulsstromes nicht unter den Grundstrom absinkt. Einerseits soll die Selbstinduktion so hoch wie möglich sein, um eine möglichst gute Wirkung zu bringen, andererseits soll sie aber auch niedrig sein, um eine zu geringe Impulsstromslärke zu verhindern. Aus diesem Grund ist die Drosselspule so bemessen, daß ihre Selbstinduktion einerseits bei niedrigen Stromstärken, bei denen die Kommutation eintritt, hoch ist, andererseits aber infolge der Sättigung des Eisenkerns während der Impulse herabgesetzt ist. Der hierbei zu schließende Kompromiß kann zu Dimensionierungsschwierigkeiten führen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der weitgehenden Vermeidung der hinsichtlich der Drosselspule zu schließenden Dimensionierungskompromisse und in der Schaffung einer Möglichkeil, den Einschaltpunkt der Grundstromgleichrichter früher zu legen, als es mit den oben erwähnten bekannten Schaltungen möglich gewesen ist, so daß der Kommutierungseffekt noch erheblich weiter abgeschwächt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Zwar ist es aus der OT-OS 15 65 418 bekannt, die Breite und Flankensteilheit der Schweißstromimpulse unter Zuhilfenahme einer zusätzlichen Stabilisier-Im-

pulsstromquelle zu variieren, um auf diese Weise eine größere Stabilität des Lichtbogens durch eine geeignete Beeinflussung des Übergangs von· Impulsstrom /um Grundstrom an der Impulsrückflanke /u erreichen, je doch ist der Aufwand für die zusätzliche Stabilisierstromimpulsquelle wesentlich größer als bei der Erfindung, wo lediglich ein Transformator benötigt wird.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Darstellungen eines Ausführungsbeispiels im Vergleich zum Stande der Technik näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Schaltung einer Schweißvorrichlung nach dem Stande der Technik.

F i g. 2 den von der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung gelieferten Schweißstrom,

F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig.4 eine Darstellung des von der in Fig.3 gezeigten Schaltung gelieferten Schweißstromes.

Gemäß F i g. 1 ist bei den bekannten Vorrichtungen ein Grundstromgleichnehter 1 mit einem lmpulsstromgleichrichter 2 parallel und an eine Schweißelektrode 3 geschaltet, welche gegenüber dem Werkstück angeordnet ist. Eine Drosselspule 4 ist zwischen die Gleichrichter und die Schweißelektrode geschaltet und wird von dem Gesamtschweißstrom durchflossen. In F i g. 2 ist der Gesamtschweißstrom ausgezogen dargestellt, während die gestrichelten Linien an der Vorder- und Rückflanke des Impulsstromes das Abfallen bzw. Ansteigen des Grundstromes darstellen. ]e nach Dimensionierung der Drosselspule 4 wird die Abfallflanke des Impulsstromes weniger steil, so daß der Grundstromgleichrichter den vollen Grundstrom weniger schnell zu liefern braucht und eine verringerte Gegen-EMK durch den Grundstrom in der Grundstromschaltung erzeugt wird (die in den meisten Fällen ebenfalls mit einer zusätzlichen Glättungsdrossel versehen ist). Diese weniger steile Stromform ist jedoch für viele Anwendungsfälle unzweckmäßig, weil dadurch die Impulswiederholfrequenz begrenzt werden kann und der Materialübergang bei Verwendung einer abschmelzenden Elektrode beeinträchtigt werden kann. Weiterhin begrenzt die notwendigerweise sättigbare Selbstinduktivität die Anwendungsbereiche dieser bekannten Schaltung.

Bei der Schaltung gemäß F i g. 3 treten diese Nachteile nicht auf. Die Schaltung läßt sich leicht so ausführen, daß sehr steile Impulsflanken erhalten werden und trotzdem ein allmählicher Übergang zum Grundstrom auftritt, ohne daß Lichtbogeninstabilitäten in Kauf zu nehmen sind. Außer dem Vorteil der weichen !Commutation können die Windungen eine solche Selbstinduktivität haben, daß sich eine günstige Impulsform über die d;:n Impulsstrom bestimmende Thyristoreinstellung erreichen läßt und die Anstiegsgeschwindigkeit des Thyristorstroms unterhalb des zulässigen Wertes gehalten wird. Wenn der Transformator aus einer einzigen Wicklung und einem nichtsättigbaren Kern besteht und eine Miltelanzapfung der Wicklung mit dem Impulsstromgleichrichter verbunden ist, während ein Wicklungsende mit dem Grundstromgleichrichter und das andere Wicklungsende mit der Schweißelektrode verbunden ist, ist die Selbstinduktivität der gesamten Wicklung unabhängig von der Stromstärke und kann einen Wert zwischen etwa 200 und 400 μ Η haben. Infolge der transformatorischen Kopplung zwischen dem Grundstromkreis und Impulsstromkreis wird während jedes Impulsstromabfalles von der lmpulsstromquelle in die Grundstromquelle eine Spannung mit solcher Größe und Richtung eingeführt, daß die Dioden des Grundstromgleichrichters früher leitend werden und die Stromzufuhr einleiten, ehe die Spannung der Impulsquellc unter die Zündspannung dieser Dioden gefallen ist.

S Bei der in F i g. 3 dargestellten Schaltung liefert ein Dreiphasengleichrichter den Grundstrom. Die notwendige Spannung wird durch Wahl der Anzapfung der Primärwicklung 5 des Dreiphasentransformators 6 eingestellt. Diese Spannung kann auch mit Hilfe einer

ίο Thyristorsteuerspannung bestimmt werden. Zwischen den Verbindungspunkt der Grundstromgleichnehter 91 und der lmpulsstromgleichrichier 92 mit dem Transformator 10 und das Werkstück ti ist eine Freilaufdiode 12 geschaltet, welche auf Grund der im Transformator 10 gespeicherten Energie auftretende Spannungsspitzen ableitet. Die Impulsspannung wird mit Hilfe einer Verlängerung der Spulen 7 und 8 auf dem Mittelschenkel des Transformators 6 erzeugt. Durch Triggern der Impulsstromthyristoren 92 in einer vorbestimmten Reihenfolge lassen sich verschiedene Impulswiederholfrequenzen erreichen. Gleichzeitig ist eine Einstellung der Impulsstromsiärke mit Hilfe einer Phasenanschnittsteuerung möglich.

Die Spannung für die Impulse wird von der Mittelanzapfung der Spule 10, welche einen Autotransformator bildet, geliefert. Der linke Anschluß dieser Spule ist mit den Thyristoren 91 für den Grundstrom verbunden, während der rechte Anschluß mit der Schweißelektrode 11 verbunden ist. Der gemeinsame Teil der Spule zwischen dem Anschluß für die Impulsspannung und die Schweißelektrode 11 kann eine Selbstinduktivität zwischen etwa 50 und 100 μΗ haben. Dieser gemeinsame Teil induziert während der Impulsabfallflanke eine Spannung von solcher Größe und Richtung, daß die Thyristoren 91 des Grundstromgleichrichters leitend werden und so den Grundstrom zu liefern beginnen, ehe der Impulsstrom soweit abgesunken ist, daß der Lichtbogen erlöschen würde.

Infolge des Fehlens der sättigbaren Spule, wie sie nach dem Stande der Technik verwendet wird, ist es möglich, mit noch niedrigeren Impulsspannungen zu arbeiten, als es mit sättigungsfähigen Spulen möglich ist und demzufolge eine Impulsquelle geringerer Kapazität zu verwenden, so daß die hier beschriebene Schaltung weniger kostspielig als die an Hand von F i g. 1 beschriebene Schaltung mit einer sättigbaren Drossel ist. Sie ermöglicht eine bessere Steuerung der Stromform und erlaubt eine leichtere Einstellung der Breite und Flankensteilheit der Impulse.

Fig.4 zeigt, daß die Thyristoren des Grundstromgleichrichters den Strom während des ersten Teils der Rückflanke des Inipulsstromes bereits zu liefern beginnen. Im Augenblick des Sperrens des Impulsstromes hat der Grundstrom bereits einen solchen Wert crreicht, daß ein gleitender Übergang des Impulsstromes in den Grundstrom erfolgt, ohne daß auch nur die geringeste Instabilität des Lichtbogens auftreten würde. Der Wert der Selbstinduktion der Drosselspule ist für den Kommutationseffekt nicht kritisch. Daher kann dieser Wert so gewählt werden, daß der Grundstromgleichrichter getrennt verwendet werden könnte, beispielsweise für das sogenannte Kurzschluß-Lichtbogenschweißen, wofür ein gewisses dynamisches Verhalten der Stromquelle erforderlich ist.

Die Anzapfung der in F i g. 3 dargestellten Spule ist in der Mitte der Wicklung gewählt, hauptsächlich um die Spannung im nicht gemeinsamen Spulenteil innerhalb von für die Dioden zulässigen Werten zu halten.

!!gemeinen ist die Spule hinsichtlich des maximalen ms, für welchen der gesamte Gleichrichter bemesst, dimensioniert, also mit anderen Worten für den mten Anwendungsbereich der vollständigen veißeinrichtung. Grundsätzlich kann der Hiscnkcrn Spule entfallen, man wird ihn jedoch in der Praxis nteresse einer guten Kopplung /wischen den bei-Spulenhälften meist verwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum elektrischen Lichtbogenschweißen mit Impulsströmen, mit einem ersten Gleichrichter, welcher der Schweißelektrode einen Grundstrom geeigneter Stärke zur Aufrechterhallung des Lichtbogens zwischen Elektrode und Werkstück zuführt, und mit einem parallel zu dem ersten geschalteten zweiten Gleichrichter, welcher der Schweißelektrode einen den Grundstrom übersteigenden Impulsstrom bei die Ruhespannung übersteigender Impulsspannung zuführt, wobei eine Induktivität vorgesehen ist, in der während der Rückflanke jedes Stromimpulses eine Spannung in Leitrichtung des Grundstromgleichrichters derart induziert wird, daß der Schweiß^trom am Ende des Impulsstromes nicht unter den Grundstrom absinkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität die eine Wicklung eines Transformators (10) mit mindestens zwei Wicklungen bildet, deren erste zumindest vom Impulsstrom durchflossen ist und deren zweite mit der ersten verbunden und vom Grundstrom durchflossen ist, und daß das Übersetzungsverhältnis derart gewählt ist, daß die Spannung, die das Absinken des Schweißstromes unter den Grundstrom verhindert, erzeugt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (10) mit einem nichtsättigbaren Kern versehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (10) aus einer einzigen Wicklung mit einer Mittelanzapfung besteht, welche an den Impulsstromgleichrichter angeschlossen ist, während ein Endanschluß mit dem Ruhestromgleichrichter und der andere Endanschluß mit der Schweißelektrode (11) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstinduktivität der gesamten Wicklung unabhängig von der Stromstärke ist und einen Wert zwischen etwa 200 und 400 μΗ hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (10) derart bemessen ist, daß die Dioden der Ruhestromgleichrichterschaltung in der ersten Hälfte der Rückflanke jedes Impulses des Impulsstromes leitend werden.