DE2503970C2

DE2503970C2 - Schaltungsanordnung zum Kurzlichtbogenschweißen

Info

Publication number: DE2503970C2
Application number: DE2503970A
Authority: DE
Inventors: Hermanus Stephanus Josephus Pijls; Elias Eindhoven Put
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-02-08
Filing date: 1975-01-31
Publication date: 1984-09-27
Also published as: SE7501230L; FI60510B; BE825267A; FI60510C; FR2260415B1; IT1031478B; NL176060B; BR7500740A; NO750363L; JPS50109859A; NL7401723A; CA1038046A; SE397172B; US4020320A; ES434491A1; FI750316A; GB1448188A; FR2260415A1; DE2503970A1; JPS5811307B2

Description

— einer ersten Speisequelle mit einer die Bogenspannung überschreitenden Leerlaufspannung mit fallender Kennlinie,

— einer zweiten Speisequelle mit einer Spannung, die kleiner ist als die Bogenspannung,

— einem ersten Schalter, der zwischen dem Schweißdraht und dem zugehörigen Pol einer Speisequelle angeordnet ist,

— einem Detektor, der das Ende des Kurzschlusses signalisiert,

— einer Steuereinheit, die in Abhängigkeit von einem Steuersignal eines Detektors für einen der Schweißparameter eine konstante Zeitdauer (Tt) bestimmt, während der die erste Speisequelle einen Strom an den Bogen liefert,

dadurch gekennzeichnet, daß

— der erste Schalter (4a) zwischen der zweiten Speisequelle und dem Schweißdraht so angeordnet ist, daß von der erster« Speisequelle (la) zur zweiten Speisequelle (to) einen Strom fließen kann, der durch der zweiten Speisequelle (16) zugeordnete Bauelemente (C, R₂) aufgenommen wird,

— ein zweiter Schalter (46, 4c) zwischen der zweiten Speisequelle (16). und de»^ Schweißdraht (6) so angeordnet ist, daß während der Kurzschlußzeit (Tks) aus der zweiten Spe^equelle (16) ein Strom fließen kann,

— der Detektor (St), der das Ende des Kurzschlusses signalisiert, eingerichtet ist als Bogenspannungsdetektor und den Anfang der Bogenspannung mißt,

— ein Kurzschluß-Detektor (S₂), der den Anfang des Kurzschlusses mißt, vorgesehen ist,

— die Steuereinheit den ersten Schalter (4a) am Ende der konstanten Zeitdauer (Tt), deren Beginn durch das Signal des Bogenspannungsdetektors festgelegt ist, stromdurchlässig macht und den zweiten Schalter (46,4c) am Ende einer weiteren konstanten Zeitdauer (Td), deren Beginn durch das Signal des Kurzschlußdetektors (S₂) festgelegt ist, stromdurchlässig macht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß gegensinnig parallel zum ersten Schalter (4a) eine Diode (D) geschaltet ist und der zweite Schalter (4c) zwischen dem Schweißdraht (6) und der Verbindungsstelle der ersten Speisequelle (la) mit dem ersten Schalter (4a) vorgesehen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (12) enthält: ais Bogendetektor eine erste Schmitt-Kipp· schaltung (Si), die eine die Bogenspannung unterschreitende Kippschwelle aufweist; eine erste monostabile Multivibratorschaltung (Mi), die an die erste Schmitt-Kippschaltung (Si) und an einen Steuereingang des ersten Schalters (4a) angeschlossen ist und die Zeitdauer (T_b) bestimmt; als Kurzschlußdetektor eine zweite Schmitt-Kippschaltung (S₂), die eine die Bogenspannung beträchtlich unterschreitende, aber

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Kurzlichtbogenschweißen mit einem von einem Haspel her über einen Schweißdrahthalter einem _ zu schweißenden Werkstück zugeführten Schweißdraht mii

— einem ersten Schalter, der zwischen dem Schweißdraht und dem zugehöriger. Po! einer Speisequeüe angeordnet ist,

— einem Detektor, der das Ende des Kurzschlusses signalisiert,

— einer Steuereinheit, die in Abhängigkeit von einem Steuersignal eines Detektors für einen der Schweißparameter eine konstante Zeitdauer bestimmt, während der die erste Speisequelle einen Strom an den Bogen liefert.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der US-PS 34 59 920 bekannt. Im Kurzschlußfall liefert bei dieser Schaltungsanordnung die Kurzschlußeinheit im we-

sentlichen den gesamten Strom in den Schweißkopf, wobei die Anstiegszeit des Kurzschlußstromes lediglich von der sehr kleinen Induktivität in diesem Schweißkreis abhängt. Wenn die Elektrodenspitze schmilzt, dann nimmt der Kurzschlußstrom sehr schnell auf einen kleinen Wert ab. Diese schnel'e StKmänderung bewirkt, daß von einem Detektor ein Signal auf die Steuereinheit gegeben wird, dessen Ausgangssignal den Schalter schließt, so daß der Bogenstrom in den Schweißkopf eingespeist wird. Damit wird vom Aus-

gang einer Transformatorwicklung über einen Brückengleichrichter ein Stromimpuls in den Bogen gegeben. Die Steuereinheit ist so ausgebildet, daß sie nach einer vorgegebenen Zeit ein weiteres Signal zum öffnen des Schalters liefert, so daß der Bogenstrom auf einen Wert

so abnimmt, der durch Einstellung eines Widerstandes und einer Induktivität im Kreis festgelegt ist In diesem einfachen Kreis ist der Wert des Bogenstromes konstant; er kenn jedoch veränderlich gemacht werden, indem die in den Gleichrichter gelieferte Spannung variiert wird.

Bei einer bekannten Schaltungsanordnung wird nur die Zeit für das Anschmelzen während der Lichtbogenperiode bestimmt. Dies reicht aber wegen der Schwankungen der Schweißdrahtausführung und anderer schwankender Parameter nicht aus, um gleichmäßige und spritzerlose Schweißnähte zu bilden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß ein möglichst gleichmäßiger und spritzerloser Materialübergang gewährleistet ist.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

— der erste Schalter zwischen der zweiten Speisequelle und dem Schweißdraht so angeordnet ist.

, daß von der ersten Speisequelle zur zweiten Speisequeüe ein Strom fließen kann, der durch der zweiten Speisequelle zugeordnete Bauelemente aufgenommen wird,

— ein zweiter Schalter zwischen der zweiten Speisequelle und dem Schweißdraht so angeordnet ist, daß während der Kurzschlußzeit aus der zweiten Speisequelle ein Strom fließen kann,

— der Detektor, der das Ende des Kurzschlusses signalisiert, eingerichtet ist als Bogenspannuagsdetektor und den Anfang der Bogenspannung mißt,

— ein Kurzschlußdetektor, der den Anfang des Kurzschldsses mißt vorgesehen ist,

— die Steuereinheit den ersten Schalter am Ende der konstanten Zeitdauer, deren Beginn durch das Signal des Bogenspannungsdetektors festgelegt ist, stromdurchlässig macht und den zweiten Schalter am Ende einer weiteren konstanten Zeitdauer, deren Beginn durch das Signal des Kurzschlußdetektors festgelegt ist, stromdurchlässig macht.

Ein Verspritzen des flüssigen Metalls wird durch eine derartige Ausbildung der Schaltungsanordnung weitgehend vermieden, und es bilden sich gleichmäßige Schweißnähte aus. Dieses Ziel ist dabei dadurch erreicht, daß pro Zyklus, Bogen-Kurzschluß zunächst ein Tropfen gebildet wird, dessen Abmessungen nahezu konstant sind, und daß dieser Tropfen dann bereits in genügendem Maße in das Schmelzbad aufgenommen ist, bevor der Kurzschlußstrom auftritt, der den Kontakt zwischen Tropfen und Schweißdraht unterbricht.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß gegensinnig parallel zum ersten Schalter eine Diode geschaltet ist und der zweite Schalter zwischen dem Schweißdraht und der Verbindungsstelle der ersten Speisequelle mit dem ersten Schalter vorgesehen ist. Die Steuereinheit macht dadurch pro Zyklus, Bogen-Kurzschluß, nach der Zeitdauer 7j, den ersten Schalter leitend, der es möglich macht, den Strom aus der ersten Speisequelle in die zweite Speisequelle überzuleiten. Nacii einer Zeitdauer T_w + Td wird dann der zweite Schalter leitend, wodurch der Kurzschlußstrom fließen kann, der die Verbindung zwischen dem Schweißdraht und dem Schmelzbad unterbricht.

Die Schaltungsanordnung bedient sich dabei des Vorteils der niedrigeren Spannung der zweiten Spannungsquelle. Die Schalter, die als Thyristoren ausgebildet sein können, können dadurch ohne verwickelte Umschaltvorgänge automatisch zum richtigen Zeitpunkt gelöscht werden. Die Steuereinheit kann damit sehr einfach ausgebildet und z. B. aus zv.ei Schmitt-Kippschaltungen und zwei Mono-Flipflops ausgebildet sein. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist hierzu vorgesehen, daß die Steuereinheit enthält: als Bogendetektor eine erste Schmitt-Kippschaltung, die eine die Bogenspannung unterschreitende Kippschwelle aufweist; eine erste monostabile Multivibratorschaltung, die an die erste Schmitt-Kippschaltung und an einen Steuereingang des ersten Schalters angeschlossen ist und die Zeitdauer bestimmt; als Kurzschlußdetektor eine zweite Schmitt-Kippschaltung, die eine die Bogenspannung beträchtlich unterschreitende, aber die KurzschluBspannung überschreitende Kippschwelle aufweist; und eine zweite monostabile Mültivibratorschaltung, die an die zweite Schmitt-Kippschaltung und an einen Steuercingang des zweiten Schalters engeschlossen ist und die Zeitdauer bestimmt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Vorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 eine Vorrichtung nach der Erfindung mit einer Steuereinheit,

Fig.3 ein Diagramm von Schweißspannungen und -strömen einer bekannten Vorrichtung und

Fig.4 ein Diagramm von Schweißspannungen und -strömen einer Vorrichtung nach derErfindung.

F i g. 1 zeigt eine praktische Ausführungsform der Vorrichtung, bei der als Schalter Thyristoren 4a und 4b Verwender werden. Eine Speisequelle la kann eine einfache Speisequelle mit einer Gleichrichterschältung und Induktivitäten sein, um die abfallende Kennlinie der Stromquellenschaltung zu erhalten. Eine störende Eigenschaft einer derartigen Speisequelle besteht darin, daß infolge der Induktivitäten die Quelle träge ist und sich daher schwer ein- und ausschalten läßt, wobei es erforderlich ist, daß dennoch ein mehr oder weniger konstanter Bogenstrom erhalten wird. Weiter ist es bekannt, daß bei Induktivitätsbelastungen Thyristoren gelöscht werden können, es sei denn, dali besondere Maßnahmen getroffen werden.

Trotz dieser Nachteile zeichnet sich die Schaltung nach F i g. 1 gerade durch ihre Einfachheit aus. Die Quelle la ist über Klemmen 2a, 3a unmittelbar und dauernd an einen Schweißdraht 6 und ein Werkstück 7 angeschlossen. Ein Thyristorschalter 4a ist in die Leitung zwischen einem Schweißdrahthalter 5 und einer über Klemmen Ib, 3b angeschlossenen Speisequelle \b aufgenommen.

Sobald eine Bogenspannung infolge des Bogens im Gebiet 9 vorhanden ist, wird dies über eine Leitung 14 in einer Steuereinheit 12 gemessen und läßt z. B. eine Zeitschaltung an, die die Zeitdauer Tb bestimmt. Nach Ablauf dieser Zeitdauer wird der Thyristorschalter 4a getriggert und verbindet dieser die Quelle \b mit dem Schweißdrahthalter 5. Die Spannung der Quelle Xb unterschreitet die Bogenspannung, während die Bogenspeisequelle la eine hohe Innenimpedanz aufweist, so daß der Bogen erlöschen muß. Der Strom der Queii'e la fließt nun über den Thyristor 4a zu der Speisequelle \b, die damit also diesen Strom aufnimmt. Da diese Quelle aus einem Netztransformator mit Gleichrichter aufgebaut sein kann, der keinen Strom aufnehmen kann, ist es erforderlich, einen Widerstand R2 und gegebenenfalls einen Pufferkondensator C anzubringen. Über die Leitung 14 gibt die Steuereinheit 12 den inzwischen aufgetretenen Kurzschluß zwischen dem Schweißdraht 6 und dem Schmelzbad 8 an und läßt in der Steuereinheit eine Zeitschaltung an, die die Zeitdauer T_d festlegt. Nach Ablauf dieser Zeitdauer wird der Thyristorschalter 4b getriggert, der gegensinnig parallel zu dem Thyristor 4a geschaltet ist. In der Verzögerungszeit Ta hat infolge der Kurzschlusses im Gebiet 9 der Strom der Speisequelle la angefangen, durch diesen Kurzschluß zu fließen. Die Kurzschlußspannuiig unterschreitet die Speisespannung der Quelle \b\ so daß der Thyristor ^a in den gesperrten Zustand geraten kann. Indem jedoch der Thyristor 4b in den leitenden Zustand gesteuert wird, wonach aus der Q-elle Io ein Kurzschlußstrom durch das Gebiet 9 fließt, wird ebenfalls die Löschung des Thyristors 4a verstärkt. Außerdem schmilzt der Tropfen am Schweißdraht 6 von diesem Draht ab, wobei der Kurzschlußkontakt zwischen Schweißdraht und Werkstück unterbrochen wird. Die Spannung zwischen Schweißdraht und Werkstück steigt nun an, bis ein Bogen zündet, dessen Spannung die Spannung der Quelle \b überschreitet, so daß der Thyristor 4b erlischt. Der

Zyklus fängt dann aufs Neue an. Zur Begrenzung des Kurzschlußs'.romes kann es erforderlich sein, den Widerstand R\ mit dem Thyristor 4b in Reihe anzuordnen.

In F i g. 2 ist die Vorrichtung nach F i g. 3 dargestellt, wobei der Thyristor Ab durch eine Diode D ersetzt ist und zwischen den Schweißdrahthalter und die positive Speiseleitung 17 der Quelle 1<ι. die nach wie vor mit dem Thyristor 4a und der Diode D verbunden ist, ein Thyristor 4c aufgenommen ist. Diese Vorrichtung ergibt die Möglichkeit, während der Verzögerungszeit Tj in die to Kurzschlußzone keinen Strom aus der Quelle la fließen zu lassen. Der Thyristor 4c ist dann gesperrt, und der Thyristor 4a bleibt leitend, um den Strom aus der Quelle la der Quelle \b zuzuführen. Der aufgetretene Kurzschluß wird an der Leitung 14 gemessen und triggert wegen der niedrigen Spannung einer Schmitt-Kippschaltung 52 in der Steuereinheit 12. Dadurch läßt eine monostabile Schaltung M₂ an, die nach einer Zeitdauer Tj in den stabilen Zustand zurückkehrt und damit einen Triggerimpuls an eine Triggereinheit Tj abgibt, die über einen Trenntransformator dem Thyristor 4c Triggerimpulse liefert. Da die Spannung an der Leitung 17 gleich der Spannung der Quelle \b ist, wird der Thyristor 4c leitend und wird die Spannung an der Leitung 17 auf den Wert der Kurzschlußspannung herabgesetzt. Dadurch fließt der Strom der Quelle la durch den Thyristor 4c, wird die Diode D stromführend und wird der Thyristor 4a nichtleitend. Aus der Quelle \b fließt nun der Kurzschlußstrom, der die Verbindung nach einer Kurzschlußzeit Tt₅ zwischen dem Schweißdraht 6 und dem Werkstück 7 unterbricht, wodurch die Spannung an der Leitung 17 wieder auf die Bogenspannung ansteigt. Der Thyristor 4c bleibt dadurch leitend. Das Vorhandensein der Bogenspannung wird über die Leitung 14 gemessen, und diese Spannung überschreitet die Schwelle der Schmitt-Kippschaltung S\ in der Steuereinheit 12. Diese triggert die monostabile Schaltung M\. die nach einer Zeitdauer Tb ein Steuersignal an die Triggereinheii 7", abgibt, worauf über einen Transformator der Einheit T\ der Thyristor 4a in den leitenden Zustand gesteuert wird. Die Spannung an der Leitung 17 sinkt über die Bogenspannung auf die Spannung der Quelle Xb herab, so daß der Bogen im Gebiet 9 erlischt und der Thyristor 4c nicht mehr leitend ist und erlischt Danach tritt die Wartezeit T_w und dann der Kurzschluß auf, wonach die Verzögerungszeit Td eingestellt wird, worauf sich also der Zyklus wiederholt.

F i g. 3 zeigt zur Erläuterung die Spannung und den Strom einer bekannten, nicht gesteuerten Kurzschlußbogenschweißvorrichtung. IniDiagramm a ist die Spannung zwischen Schweißdraht und Werkstück als Funktion der Zeit dargestellt. Die Spannung nimmt abwechselnd den Wert Et der Bogenspannung während einer Zeit Tt und den Wert Ek der Kurzschlußspannung während einer Zeit 7i an. Die gezeigten Spannungsformen sind stilisiert als Blöcke dargestellt Im Diagramm b der F i g. 3 sind der zu a gehörige Bogenstrom 4 und der Kurzschlußstrom /* dargestellt Die Zykluszeit T_c ist = Tb H- Tt; Tb sowie Tt können sich hier in Abhängigkeit von vielerlei auf den Schweißvorgang einwirkenden Einflüssen ändern.

Fn F i g. 4 sind die den Diagrammen nach F i g. 3 entsprechenden Diagramme, aber nun bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, dargestellt Die Bogenzeit Tb wird z. B. konstant gehalten; dann folgt eine gegebenenfalls veränderiicbe Wartezeit T_w und danach der Zeitpunkt des Kurzschlusses 7*, der detektiert wird, so daß eine konstante Verzögerungszeit Td auftritt, und dann fließt während einer gegebenenfalls veränderlichen Zeitdauer Ti, ein Kurzschlußstrom /*. Die Zykluszeit T₁- kann sich also dadurch ändern, daß Γ» und Tk, sich z. B. durch Anpassungen an äußere Änderungen in den Parametern des Schweißvorganges (Speisespannungsänderungen, Schweißdrahtgeschwindigkeitsänderungen) ändern.

Durch die gleichmäßigen Tropfen und die verzögerte Einschaltung des unterbrechenden Kurzschlußstromes, nachdem der Tropfen bereits teilweise in das Schmelzbad eingeführt worden ist, wird trotz sich ändernder Schweißparameter, wie Einfluß des Schweißers, Speisespannungsänderungen oder Drahtgeschwindigkeitsänderungen, eine bessere Schweißverbindung erhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Kurzlichtbogenschweißen mit einem von einem Haspel her über einen Schweißdrahthalter einem zu schweißenden Werkstück zugeführten Schweißdraht mit

die Kurzschlußspannung überschreitende Kippschwelle aufweist; und eine zweite monostabile MuI-tivibratorschaltung (Ai₂). die an die zweite Schmitt-Kippschaltung (S₂) und an einen Steuereingang des zweiten Schalters (4c) angeschlossen ist und die Zeitdauer ( Ta) bestimmt.