DE2346862A1

DE2346862A1 - Stromquelle zum lichtbogenschweissen, insbesondere plasmaschweissen

Info

Publication number: DE2346862A1
Application number: DE19732346862
Authority: DE
Inventors: August Boehm; Peter Dr Ing Hildebrandt
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1973-09-18
Filing date: 1973-09-18
Publication date: 1975-08-14
Also published as: DE2346862C3; DE2346862B2; CH567903A5

Description

SJvK GHIi)SHEIW GMBH MG

Ηχν.ΌΓΐ: PW 20 lieu
inder: Böhm, l)r« Hilciebrandfe

ro mg u eile zum lichtbogenschweißen, insbesondere Plasmaschweißen

!Die vorliegende Erfindung betrifft >vine Stromquelle zum Lichtbogenschweißen, indbesondere Plasnasohweißen, mit einem Leistungsgleichrichter, cJea mindestens ein steuerbarer Halbleiter zugeordnet ist und mit einer dem steuerbaren Halbleiter zugeordneten Pulseinriohtung zur Erzeugung von Schweißstromimpulsen.

Mit diesem Oberbegriff wird auf einen Stand der Technik Bezug genommen, wie er beispielsweise aus dtsia DBP 1 946 2^0 bekannt ist. Bei der bekannten Einrichtung zum Plasmaschweissen erfolgt die SchweißStromveränderung über steuerbare Transistoren.

Darüber hinaus ist bei der bekannten Einrichtung ein Generator zur Rechteckspannungsimpulserzeugung vorgesehen, um eine Qualitätsschweißung mit pulsierendem Strom durchzuführen zu können. Die Praxix hat nun gezeigt, daß ein pulsierender Strom mit rechteckförmxgem Verlauf, wobei die Impulsflanken nahezu senkrecht verlaufen, nicht für alle Schweißaufgaben vorteilhaft ist. So ist beispielsweise bei dünnen Blechen aus Cr-Ui-Stahl der plötzlich zur Verfügung stehende Schweißstrom zu groß, so daß Löcher in das zu verbindende Blech gebrannt wurden. Darüber hinaus sind Porenbildungen festgestellt worden. Durch eine vorgenommene Reduzierung des Schweißströmes - Einstellung kleinerer Stromwerte -könnten wohl Löcher und Porenbildungen weitgehendst ver-

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mieden v/erden. Die Stromreduzieruni=; führte aber ciasu, daß die Bleche ungenügend durchgeschv,^rei.?>t waren und oonit die Schv/eißnaht nicht die erforderlichen Gütev/erte aufwies.

Darüber hinaus isc es für manche Schweißaufgaben erforderlich - beispielsweise beim Verschweißen von Thermoelementen, feinen Drahtenden z.B. bei Sieben und Drahtgittern den Schweiß strom nur in Form von einem einzigen Impuls bestimmter Dauer der Schweißstelle zuzuführen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die oben genannten Nachteile nicht aufweist und die darüber hinaus vielseitig für unterschiedlichste Schweißaufgaben einsetzbar ist.

Die Erfindung besteht darin, daß die Pulseinrichtung einen

j.m Dauer impuls er zeug er und einen Einselpulserz-tfUger aufweist

im und daß ferner dem Dauer- und Einzel^ulserzeuger eine Impulsflankeneinstellvorriclitung nachgeschaltet ist.

Durch die Erfindung wird es vorteilhaft möglich, mittels des Dauerimpulserzeugers, vorzugsweise eines astabilen Multivibrators, kontinuierlich ,rechteckförmige Impulse zu erzeugen, deren Anstiegs- und Abfallflanken mittels der Impulsflankeneinstellvorrichtung auf einen beliebigen, der jeweiligen Schweißaufgabe angepaßten Anstiegs- bzw. Abfallwinkel eingestellt werden können. Dies hat den Vorteil, daß der Schweißstrom nicht mehr schlagartig zur Verfügung steht, sondern langsam auf den vorgegebenen V/ert ansteigt. Es wird somit durch die Erfindung möglich, Schweißnähte herzustellen, die einerseits poren- und löcherfrei, andererseits ausreichend durchgeschweißt sind. Der Planksnwinkel ist vorteilhaft einstellbar und kann in einfachster Art und Weise zur Durchführung einer Schweißaufgabe empirisch ermittelt werden

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Ferner wird durch den erf indungsgaiaäß vorgesehenen Einzelrimpu Is erzeug er, vorzugsweise einen mono stat» ilen Multivibrator, in Verbindung mit der Flankenverstelleinrichtung es vorteilhaft möglich, auch Einzelzmpulsschweißungen mit vorgegebenem Impulsverlauf durchzuführen,

Euren die Erfindung wird somit eine einfache Einrichtung geschaffen, mit der nahezu alle Schweißaufgaben gelöst werden köiiiiM!. In vorteilhafter Weiterbildung wird erfindungsge-EiUJ vorgeschlagen, daß die Flankenverstelleinrichtung einen Kundensator mit zugeordnetem Lade- und Entladekreis aufweist. Durch den Ladekreis wird vorteilhaft ein kontinuierliches Aufladen des Kondensators und damit eine, mit einem vorbestimmten V/inkel ansteigende Schweiß stromkurve erreicht. Der Entladekreis bestimmt den Verlauf der Schweißstromabsenkkurve.

Bachfolgend wird die Erfindung unter Hinweis auf weitere vorteilhafte Merkmale sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen naher erläutert.

Es veranschaulicht:

Pig_._j. ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung,

"Fig. 2 verschiedene Schweißstromkurven.

In Fig. 1 ist eine Einrichtung 10 zum Plasmaschweißen veran schaulicht, die zur Versorgung des Plasmahauptlichtbogens einen Haupttransformator 11 mit nachgeschaltetem Leistungsgleichrichter 12 aufweist. Die eine Ausgangsleitung 13 des Gleichrichters 12 ist über eine steuerbare Halbleiter-Anordnung 14 mit dem Werkstück 18 und die andere Ausgangsleitung 17 mit der Elektrode 15 eines schematisch dargestellten Plasmaschweißbrenners 16 verbunden. Der Plasmaschweißbrenner 16 weist einen Brennerkörper 19, in dem ein Kühlmittelkanal 20 sowie eine Plaemaeinschnürdüse 21 zugeordnet ist, auf. In einer zentralen Bohrung 22, welche über eine Zuführung 23

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mit Gasflaschen 24 für das Plasmagas (beispielsweise Argon, Helium, Wasserstoff, Stickstoff oder ein Gemisch hiervon) in Verbindung steht, ist mittels eines Zentrierstückes 25 die Wolframelektrode 15 gehalten.

An die Elektrode 15 und d-ie Düse 21 ist zur Versorgung des Plasmahilfslichtbogens ein Hilfslichfbogenkonstantstroinkreis 26 angeschlossen, der im wesentlichen aus einem Transformator 27 mit nachgeschaltetem Gleichrichter 28 besteht. In der Verbindungsleitung 29, zwischen Gleichrichter 18 und Düse 21, ist zur Begrenzung des Hilfslichtbogenstroms ein Transistor 30 mit zugeordnetem Emitterwiderstand 31 und gegebenenfalls ein Kondensator 31a vorgesehen. Die Basis 32 des Transistors 30 ist über einen Widerstand 33 mit dem Kollektor 34 des Transistors 30 und über einen Widerstand 35 mit der Düse verbunden. Dadurch wird ein Ba sis spannung st eiler 33, 35 erhalten. Durch diesen Basisspannungsteiler 33, 35 und die Größe des Emitterwiderstande s 31 wird der Strom durch den Transistor 30 auf die Größe des Hilfslichtbogenstromes (beispielsweise 2A) begrenzt. Durch Änderung des Basisspannungsteilers 33» 35 und/ oder des Emitterv/iderStandes 31 - beispielsv/eise durch Verstellung von angeordneten einstellbaren Widerständen 31, 33, 35 - ist die Größe des Hilfslichtbogenstromes vorteilhaft einstellbar. Diese Hilfslichtbogenversorgung ist besonders vorteilhaft bei berührungslosem Zünden des Pilotlichtbogens durch ein mit 92 bezeichnetes Hf-Zündgerät, da die Konstantstromhilfslichtbogenversorgungseinrichtung 26 im Zeitpunkt der Hf-Zündung voll aufgesteuert ist und erst durch den fliessenden Pilotlichtbogenstrom runtergesteuert wird. Dabei kann das Runtersteuern durch den parallel geschalteten Kondenstor 31a verzögert werden.

Die vorgesehene Halbleiter-Anordnung 14 dient zur Veränderung des Plasmahauptlichtbogenstromes, also des Schweißstromes (0,01 - 20 3. Die Anordnung 14 besteht aus mehreren parallel geschalteten Transistoren 36, 37. 38, deren gemeinsame Basis 39 über einen Ver3tärkertransisitor 40 mit einer Pulseinrichtung 41 verbunden ist.

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Erfindungsgemäß bestellt bei der Pulseinrichtung 41 aus einem Dauerimpulserzeuger 42 und einem Einzelimpulserzouger 43, de nen eine Impulsflankenverstelleinrichtung 44 nachgeschaltet ist. Der Dauerinipulserzeuger 42 ist als astabiler Multivibrator und der Einzelimpulserzeuger als monostabiler Multivibrator ausgebildet. Der Aufbau derartiger Multivibratoren ist allgemein bekannt und braucht deshalb nicht näher erläut ert werd en.

Die Impulsflankenvex'stelleinrichtung 44 weist einen Kondensator 45 auf, dem ein Lade- sowie ein Entladekreis 46 bzw.

47 zugeordnet ist. Der L_adekreis 46 weist einen Ladetransistor 48 auf, dessen Kollektor 49 mit dem Kondensator 45 und dessen Emitter 50 mit einem einstellbaren Emitterwiderstand 51 verbunden :^;.st. Die Basis 52 des Lade transistors

48 ist mit einem Basisspannungsteiler verbunden, welcher Widerstände 53 und 54 sowie einen Steuertransistor 55 umfaßt.

Der Entladekreis 47 besteht aus einem Entladetransistor 56 mit zugeordnetem, einstellbaren Emitterwiderstand 57, wobei der Widerstand 57 sowie der Kollektor 58 des Entladetransisitprs 56 mit je einem Pol des Kondensators 45 verbunden sind. Der Basis 59 äes Entladetransistors 56 ist ein Basis spannung st eil er zugeordnet, der zwei Widerstände 60 bzw. 61 und einen Steuertransistor 62 aufweist. Die Basia des Steuertaansistors 62 ist über eine an sich bekannte Umkehr stufe 63 mit dem Eingang des Steuertransistors 55 des Ladekreises 46 verbunden.

Der Impulsflankenverstelleinrichtung 44 ist ein Schweißstromsollwertgeber 64 nachgeschaltet, der im wesentlichen aus einen Transistor 65 besteht, in dessen Kollektorkrois 66 ein Schweißstromeinst ellpotentiometer 67 mit in Reihe geschalteten Vorwiderständen 68, 69, 70 angeordnet ist. Die Vorwiderstände 68, 69, 70 sind über einen Schalter 71 wahlweise mit dem Potentiometer 67 verbindbar. Der Ausgang 72 des Schweißstromsollwertgebers 64 ist mit den steuerbaren Halbleitern 56, 37, 38 verbunden.

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Darüber hinaus ist den steuerbaren Halbleitern 36, 37, 33 eine Regeleinheit 73 zur Verstellung der Eennliniermeigung der Schv/e iß stromquelle zugeordnet. Die Regeleinheifc 73 weist einen parallel zur Elektrode 15 und dem Werkstück 18 angeordneten Basisspannungstexler (Widerstände 74, 75) auf, der über einen Schalter 76 mit einen Transistor 79 in Verbindung steht. Parallel, zur Emitter-Xollektor-Strecke des Transistors 77 ist ein Potentiometer 78 vorgesehen, welches als Basisspannungsteiler für einen weiteren Transistor 79 dient, der parallel zu dem am Schleifer des Potentiometers 57 abgegriffenen Widerstandes dem Transisitor 65 sowie dem Eraitterwiderstand 80 des Transistors 65 im Schweiße trocisollwertgeber 64 geschaltet ist.

Die Versorgungssteuerspannung ÜB für die Pulseinrichtung 41, die FlankenverStellvorrichtung 44 sowie den Scliv/eißstromsollwertgeber 64 wird aus einem Transformator 81 mit nachgeschaltetem Gleichrichter 82 entnommen und über die Leitung 83 den jeweiligen Baugruppen zugeführt, wobei der Transformator nur für kleine Steuerleistungen ausgelegt sein muß, was insbesondere im Hinblick auf eine angestrebte kleine Raumform des gesamten Schweißgerätes von Vorteil ist.

Die Punktionsweise der erfindungsgeinäßen Einrichtung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 6 erläutert, wobei davon ausgegangen wird, daß über den Pilothilfslichtbogenstromkreis 26, zwischen Elektrode 15 und Düse 21, ein Hilfslichtbogen aufrechterhalten wird, und aus der Düse ionisiertes Plasmagas in Richtung des Werkstückes 18 ausströmt. Der Hilfslichtbogen brennt vorzugsweise während des gesamten SchweißVorganges. Ist zur Lösung einer Schweißaufgabe - beispielsweise eine Rohr schweißung 0,5mm Cr-Ni-Stahl mit 10 Ampere Schweißstrom - ein Schweiß stromverlauf entsprechend Pig. 2 erforderlich, so wird ein zwischen den Impulserzeugern 42, 43 und der PlankenverStellvorrichtung 44 vorgesehener Umschalter 84 in die in der Pig. 1 dargestellten Position gebracht und der

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.Schalter 85 geschlossen. Somit liegt am Eingang der Flankenverstellvorrichtung eine konstante Steuerspannung an, und der Steuertransistor 55 wird durchgesteuert. Der Basis 52 des Ladetransistors 48 wird eine feste Basisspannung zugeführt, deren Größe durch das Verhältnis der Widerstände 55 und 54 "bestimmt ist, und den Ladetransistor 48 durchsteuert. Dadurch wird .je nach Einstellung des Emitterwider Standes 51 der Kondensator 45 mit einem, konstanten, vo!-bestimmbaren Strom aufgeladen. Die Spannung parallel zum Kondensator 45, welcne als Steuerspannung dem Stromsollwertgeber 64 zugeführt wird, steigt linear an und öffnet dadurch mehr und mehr den Transistor 65 des SchweißStromsollwertgebers 64. Durch den sich allmählich öffnenden Transistor 65 wird auch die Basisspannung an dem Verstärkertransistor 40 erhöht und damit dieser sowie die Leistungstransistoren 36, 37, 38, die vorzugsweise alle wassergekühlt sind, aufgesteuert, so daß der Strom entsprechend dem Kurvenzug A in Pig. 2 ansteigt, bis der am Potentiometer 67 über die Vorwid er stände 68 bis 70 eingestellte Schweißstrosiwert (beispielsweise 0,01 bis 10 A) erreicht ist.

Während des Aufladens des Kondensators 45 ist der zugeordnete Entladelrreis gesperrt, und zwar wird beispielsweise das positive Eingangssignal der Flankenverstellvorrichtung 44 über eine Umkehrstufe 63 in ein negatives Signal umgeformt, wodurch der Steuertransistor 62 und damit der Entladekreis 47 gesperrt wird.

Bei Erreichen des Punktes B der Steuerkurve in Fig. 2 - also kura vor dem Ende der Schweißung - wird der Schalter 85 geöffnet und damit, da keins Basisspannung am Steuertransistor 55 ansteht, der Ladekreis 46 gesperrt und gleichzeitig der Steuertransistor 62 des Entladekreises 47 durchgesteuert und der Entladetransistor 56 geöffnet. Der Kondensator 45 entlädt sich nun über den einstellbaren Emitterwiderstand 57 und die Steuerspannung U fällt linear auf den Wert Null (Kurvenzug C in Pig. 2).

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Der Anstiegswinkel D des Kurvenzuges A ist mittels des Widerstandes 51 und der Abfallwinkel E des Kurvenzuges G ist mittels des Widerstandes 57 veränderbar.

Erfordert eine Schweißaufgäbe einen pulsierenden Schweiß strom - wie es beispielsweise beim Sehweißen von dünnen Blechen (0,5 mm) der Fall ist - also einen Schweiß Stromkurvenverlauf entsprechend Pig. 3, so wird der Umschalter 84 in Position I gebracht, so daß der astabile Multivibrator mit der Impulsf lankenver Stellvorrichtung 44 verbunden ist. Die vom astabilen Multivibrator 42 erzeugten Impulse, deren DauerF(Widerstand 86) und deren PauseS(Widerstand 87) einstellbar ist, werden dem Eingang der Impulsflankenverstellvor??ichtung 44 zugeführt und der Kondensator 45 kontinuierlich aufgeladen und nach einer gewisser. Pulszeit wieder entladen, so daß die in Pig. 3 veranschaulichte Schweiß stromkurve erhalten wird. Die Funktionsweise der ImpulsflankenverStellvorrichtung 44 ist dabei wie weiter oben bereits beschrieben.

Soll - beispielsweise bei Punktschweißungen - nur ein Schweißstromimpuls (Fig. 4) bestimmter Dauer erzeugt werden, so wird der Umschalter 84 in Position II gebracht und der monostabile Multivibrator 43 mit der Impulsflankenverstellvorrichtung 44 verbunden. Die Impulsdauer}kann über den einstellbaren Widerstand 88 verändert werden.

Bei o.g. Ausführungsbeispielen war der Schalter 76 der Regeleinheit 73 zur Kennlinienverstellung offen und somit aufgrund der Auslegung von Transformator 11, Gleichrichter 12 und !Transistoren 36, 37, 38 eine Konstantstromkennlinie (s. Pig. 5) vorhanden.

Beim Schweißen von beispielsweise Bördeln kann es zweckmäßig sein, wenn eine nicht so stark fallende Kennlinie - wie in Pig. 6 veranschaulicht - vorhanden ist. Diese Kennlinie wird erhalten, wenn der Schalter 76 geschlossen wird. Ist die

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Schweißspannung U_n, zwischen Elektrode 15 und Y.'erkstück 18 groß - beispielsweise 30 V --wird über den Basisspannungsteiler 74, 75 der Transistor 77 durchgesteuert und die Spannung Ιίφ klein. Mit fallender Schweiß spannung TJg wird der Basisstrom am Transistor 77 geringer und damit die Spannung U^ größer. Je größer die Spannung LL, ist, desto mehr wird der Transistor 79 durchgesteuert und damit der Emitterwiderstand 80 und der Transistor 65 überbrückt. Der Spannungsteiler des Schv/eißstromsQllwertgebers 64 wird dadurch verändert, und zwar derart, daß je größer U™ ist, desto größer das dem Verstärkertransistor 40 zugeführte Signal - und damit der Schweißstrom - ist. Somit wird erreicht, daß bei abfallender Schweißspannung U₀ der Schweiß strom ansteigt (fallende Kennlinie). Die Größe des Neigungswinkels 89 kann mittels des Potentiometers 78 verändert werden. Der Knickpunkt 90 ist mit o.g. Basisspannurigsteiler 74/75 einstellbar (Doppelpfeilrichtung 91).

Bei entsprechender Abwandlung der Regeleinheit 73 ist mittels dieser auch eine ansteigende Kennlinie erreichbar, bei der mit zunehmender Spannung auch der Schweißstrom steigt. Es ist selbstverständlich, daß mit der erfindungsgemäßen Einrichtung (]?ig. 1) - mit fallender Kennlinie - ebenfalls die in den l'ig. 2 bis 4 veranschaulichten Schweiß stromkurven erreichbar sind. Bei beiden Kennlinienarten sind auch Rechteckdauerbzw. Einzelimpulse mit senkrechter Impulsflanke mit der erfindungsgemäßen Einrichtung erzeugbar.

Durch die Erfindung ist somit eine Einrichtung geschaffen, mit der nahezu alle auftretenden Schweißaufgaben lösbar sind. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist neben dem oben beschriebenen Plasmaschweißen ferner vorteilhaft bei MIG-, MAG- und WIG-Schweissen sowie beim Plasmaschneiden anwendbar.

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Claims

Ansprüche

1. Stromquelle zum Lichtbogenschweißen, insbesondere zum Plasmaschweißen, mit einem Lsistungsgleiehrichter, dem mindestens ein steuerbarer Halbleiter zugeordnet ist und eine dem steuerbaren Halbleiter zugeordnete Pulseinrichtung aur Erzeugung von Schweißstromimpulsen, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulseinrichtung (41) einen Dauerimpulsex'zeuger (42) und einen Sinzelinipulserzeuger (45) aufweist und daß ferner dem Dauer- und dem Einzelimpulserzeuger eine Iiapulsflankenverstellvorrichtung (44) nachgeschaltet ist.

2. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauerinipulserzeuger (42) als astabiler Multivibrator und der Einzelimpulserzeuger (45) als monostabiler Multivibrator ausgebildet sind.

3. Stromquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsflankeneinatellvorrichtung (44) einen Kondensator (45) mit zugeordnetem Lade- und Entladekreis (46 bzw. 47) aufweist.

4. Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Impulserzeugern (42, 43) und der Impulsflankeneinstellvorrichtung (44) ein Umschalter vorgesehen ist.

5. Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsflankeneinstellvorrichtung (44) vorzugsweise unter Zwischenschaltung eines Schweißstromsollwertgebers (64) mit den steuerbaren Halbleitern (36, 37, 38) verbunden ist.

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6. Stromquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstromsollwertgeber (64) einen Transistor (65) aufweist, in dessen Kollektorkreis (66) ein Schweiß ströme inst ellpot ent ioiaet er (67) mit in Seihe geschalteten Yorwiderständen (68, 69, 70) angeordnet ist.

7. Stromquelle nach -einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Halbleiter (36, 37, 38) mit einer Regeleinheit (73) zur Verstellung der Kennlinienneigung verbunden sind.

8. Stromquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinheit'(73) einen Transistor (79) aufweist, welcher parallel zu einem Emitterwiderstand (80), einem Transistor (65) und einem Seil des Potentiometers (67) im Schweißstromsollwertgeber (64) geschaltet ist und dessen Basis mit Spannungsteilern (74, "bzw. 78) in Verbindung stehen, die parallel zur Elektrode (15) und Werkstück (18) geschaltet sind.

9. Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einer Versorgungseinrichtung für den Pilotlichtbogenstrom, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungseinrichtung (26) als Konstantstromquelle ausgebildet ist. die. mindestens einen steuerbaren Halbleiter (30), einen Emitterwiderstand (31) und gegebenenfalls dasu parallel einen Kondensator (31) aufweist.

7.9.1973
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