DE2517181A1

DE2517181A1 - Verfahren und einrichtung zur steuerung der lichtbogengeschwindigkeit beim schweissen mit magnetisch bewegtem lichtbogen

Info

Publication number: DE2517181A1
Application number: DE19752517181
Authority: DE
Inventors: Sigrid Dipl Ing Bauer; Manfred Dipl Ing Gerlach
Original assignee: Zentralinstitut fuer Schweisstechnik der DDR
Current assignee: Zentralinstitut fuer Schweisstechnik der DDR
Priority date: 1974-07-31
Filing date: 1975-04-18
Publication date: 1976-02-12
Also published as: GB1503524A; FR2280474A1; FR2280474B3; SE7508187L

Description

Verfahren und Einrichtung zur Steuerung der Lichtbos>enereschwindi^keit beim Schweißen mit magnetisch bewee-tem Lichtbogen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Einrichtung zur Steuerung der LichtbOffenereschwindie-keit beim Schweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen, vorzugsweise beim Schweißen mit Hilfselektrode.

Bekannt ist, zur Ablenkung des Lichtbogens eine Magnetspule zu verwenden, bei der auf einem elektrisch nicht leitenden Grundkörper eine bestimmte Windungszahl Cu-Lackdraht aufgetragen ist. Diese, die Hilfselektrode und das Schweißteil umschließende Spule erzeugt ein homogenes Magnetfeld, in dem der zwischen Elektrode und Werkstück brennende Lichtbogen beschleunigt wird und sich nach seiner Beschleunigung mit annähernd konstanter, hoher Geschwindigkeit beweert.

Bekannt ist außerdem ein Spulensystem zur Erzeugung einer Lichtbosrenrotation, das aus mehreren Einzelspulen besteht· Diese in Eeihe geschalteten Spulen erzeugen ebenfalls ein homogenes Magnetfeld, in dem sich der Lichtbogen in der oben beschriebenen Weise beweert.

Die Nachteile dieser Verfahren zur Erzeugung? einer Lichtboprenrotation bestehen darin, daß sich der Lichtbogen nach seiner Beschleunigung mit sehr hoher, nur unbedeutend beeinflußbarer Geschwindigkeit bewegt. Infolge seiner hohen Zentrifugalkraft wird das erschmolzene Metall aus der Naht 5-edrückt, so daß die erforderliche Verbind uncrsstärke nicht erreicht wird. Eine Verringerung der Lichtbo^en^eschwindi^- keit kann nur durch Verringerung· der magnetischen Induktion erreicht werden. Das ist aber nur bis zu einer bestimmten Grenze möglich, so daß die Botationsgeschwindi<»keiten immer

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noch in einem Gr^ßenbereich liegen, in dem die Zentrifugalkraft des Lichtbogens stark wirkt· Wird diese Grenze unterschritten, so verliert der Lichtbogen seine Stabilität und damit eine Eigenschaft, die zur Erzeugung oder homogenen Naht erforderlich ist·

Eine Steuerung der Rotationstreschwind ie-keit des Lichtbogens ist mit dem bisher bekannt gewordenen Verfahren zur Erzeugung der Lichtbogenrotation nicht zu erreichen·

Daraus entsteht der weitere Nachteil, daß der Lichtbogen nicht immer sofort vom Magnetfeld erfaßt wird. Es ist vom Zufall abhängig, ob der Magnetfeldbereich den Lichtbogen zur Zeit seiner Zündung erfaßt oder nicht· Dadurch kann also der Fall eintreten, daß der Lichtbogen eine kurze Zeit auf einer Stelle brennt und dadurch eine Beschädigung der Elektrode und eine Fehlstelle in der Schweißnaht verursacht·

Es ist bekannt, beim Schweißen mit ma«netisch bewegtem Lichtbogen denselben mittels Hochfrequenz oder durch Kurzschluß zu zünden· Beim Zünden mit Hochfrequenz zündet der Lichtbogen an einer beliebigen, nicht vorher bestimmbaren Stelle, Voraussetzung ist, daß der Schweißspalt zwischen Werkstück und Hilfselektrode konstant ist, er zündet also Undefiniert, Nach seiner Zündung setzt er sich dann in dem homogenen Magnetfeld einer Bingspule in Bewegung.

Im Gegensatz dazu handelt es sich bei der Zündung des Lichtbogens mit Kurzschluß um eine definierte Zündung, wobei der Lichtbogen mit Hilfe eines Kohlestabes oder Einlegen einer Kurzschlußbrücke gezündet wird· Der Lichtbogen zündet dabei an einer definierten, beliebig wählbaren Stelle. Die Auswahl der definierten oder Undefinierten Zündung ist bei dieser Variante des MBL-H-Verfahrens von untergeordneter Bedeutung für die Erfassung des Lichtbogens, da dieser sofort nach der Zündung durch das homogene, an allen Stellen seiner Laufbahn wirkende Magnetfeld beschleunigt und bewegt wird·

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Der Zweck der Erfindung besteht darin, beim Schweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen durch Steuern des Lichtbogens definierte Lichtbopreneeschwindio-keiten oder das Steuern der Iachtbo^engeschwindicrkeit zu ermöglichen, das Anwendungsgebiet dieses Verfahrens zu erweitern und den Aufwand an Zeit und Material zu senken, indem der Lichtbogen sofort nach seiner Zündung vom Magnetfeldbereich erfaßt wird und damit eine Elektrodenbeschädigung sowie Fehlstellen in der Schweißnaht zu vermeiden sind, wobei auch unsymmetrische Nahtformen verschweißt werden sollen·

Der Erf induner liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und . eine Einrichtung zur Steuerung der Lichtboa-enpeschwindigkeit beim Schweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen, vorzugsweise beim Schweißen mit Hilfselektrode, zu entwickeln, wobei das Einstellen beliebiger Lichtbosrengeschwindigkeiten bei einem sofortigen Erfassen des Lichtbogens nach seiner Zündung durch den Magnetfeldbereich gewährleistet ist, das Wegdrücken der Schmelze aus der Naht sowie hohe Spritzverluste vermieden werden, auf die Verwendung von Zusatzwerkstoff zu verzichten* und eine höhere Nahtqualität zu erzielen ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch erelöst, daß kurz vor der Zündung des Lichtbogens zwischen dem Werkstück und Hilfselektrode durch eine Steuereinheit, vorzugsweise durch einen spannungsführenden Schleifkontakt oder eine elektronische Steuerung nacheinander einzelne, ein Spulensystem bildende Magnetspulen mit einer Stromquelle verbunden werden, wobei die Schaltgeschwindierkeit des Steuersystems entsprechend der Lichtbogengeschwindigkeit bestimmt und der Lichtbogen in einem wandernden Magnetfeld geführt wird.

Um den Lichtbogen sofort nach der Zündung des Lichtbogens zu erfassen, wird das Magnetfeld bis zur Lichtbogenzündung auf eine hohe Anfangsgeschwindigkeit gebracht und nach dem Erfassen des Lichtbogens die Lichtbogengeschwindigkeit auf einen, den technologischen Bedingungen entsprechend kleineren Wert gesteuert.

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Bei der Anwenduns- der Kurzschluß-Zündung erfolert das sofortige Erfassen des Lichtbogens durch einen zeitlichen Magnetfeld-Vorlauf in der Weise, daß insbesondere mehrere hintereinander angeordnete Masrnetspulen maeinetisiert werden, so daß ein breiter, etwa das halbe Maernetspulensystem umfassender, die Zündstelle einschließender Ma<?netfeldbereich entsteht· Hach der Zündung wird der Macrnetfeldbereich bewegt und mit ihm der Lichtbogen« Um dem Verharren des Lichtbogens an der Grenze des Magnetfeldbereiches entgegenzuwirken, was die Folge einer zeitlichen Differenz zwischen Lichtboerenzündung und Magnetfeldbewee*unsr sein kannte, wird der Maernetfeldbereich so groß erewählt, daß der Lichtbogen noch innerhalb dieses Bereiches eine Bewegungsm^prlichkeit hat·

Die Einrichtung ist gekennzeichnet durch einen Grundk^rper, der zur Aufnahme mehrerer Magnetspulen dient· Jede der Magnetspulen besitzt einen ferromaemetischen Kern und zwei entsprechende Formbleche, die kurz vor dem Schweißspalt enden.

Zweckmäßigerweise besteht die Einrichtung aus mehreren kreisförmig angeordneten Magnetspulen, wobei in einem Dielektrikumvoneinander isolierte ferromagnetische Blechlamellen eingebettet sind und sich am Ende der ferromapnetischen Blechlamellen Maernetspulen mit einem ferromagnetisch en Kern befinden, wobei sich die ferromagnetischen Blechlamellen vom Zentrum des ferromacrne ti sehen Kernes in radialer Richtung bis zur Lichtbogenlaufbahn erstrecken. Durch eine aufeinanderfolgende Magnetisierung der einzelnen Spulen bzw· Spulengruppen entsteht ein Masrnetfeldbereich, der den Lichtbogen führt·

Durch die schmalen voneinander isolierten Blechlamellen wird vor allem die seitliche Streuung des Maernetfeldbereiches verringert · Der Grund dafür ist der wesentlich höhere Magnet-Widerstand des Dielektrikums zwischen den Blechlamellen gegenüber eines ununterbrochenen Formbleches, das eine vielfache Breite der Blechlamellen besitzt. Dadurch läßt sich ein scharfer abgegrenzter Maemetfeldbereich erzielen, was sich positiv auf die Stabilität des Lichtbogens auswirkt· Die Breite des Magnetfeldbereiches läßt sich im größeren Umfang variieren, indem die Magnetspulen einzeln oder gruppenweise magnetisiert werden·

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Das Dielektrikum kann i?leichzeitig als Trägereinheit angeordnet werden·

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vori die ferromagnetisch en Blechlamellen und/oder die Ma^netspulen in einem Gießharz einzubetten.

Zum Schweißen nichtkreisförmiger Nähte ist ein Magnetspulensystem zu verwenden, dessen sreometrische Form dem Schweißspalt oder dem Nahtverlauf angepaßt ist und die Magnetspulen und Macrnetbleche in einem konstanten Abstand zu dem ihnen gegenüberliegenden Nahtbereieh angeordnet sind. Durch die Gewährleistung eines stetig gleichen Äbstandes bleibt die Magnetflußdichte des Magnetfeldbereiches während einer Umdrehung konstant, was zu einer £?leichmäßigen Lichtbogenbewegung führt.

Versuche haben f?ezeif=rt, daß die Mao-netflußdichte mit zunehmendem Abstand von der Magnetspule abnimmt. Je weiter also die Maernetblechenden, die immer senkrecht zum Schweißspalt angeordnet sein müssen, von der Magnetspule entfernt sind, umso schwächer wird das an ihnen austretende Magnetfeld und damit die den Lichtbogen führende Kraft· Bei Verwendung kreisförmiger Magnetspulensysteme für nichtrotationssymmetrische Nähte schwankt also die Stärke des Magnetfeldbereiches während einer Umdrehung· Das führt zu ungleichmäßigen Licht boerenbewegungen über dem Nahtumfang und folglich zu einer schlechten NahtQualität·

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, auch lineare, nicht in sich geschlossene Schweißnähte herzustellen. Hierbei bewegt sich der zwischen Hilfselektrode und Werkstück brennende Lichtbogen mit Maernetisierungspreschwindiprkeit der Macrnetspulen zwischen Elektrode und Werkstück· Ein Anlaufblech verhindert Nahtfehler, die am Nahtanfang bei der Zündung des Lichtbogens auftreten kennen· Durch Anbringen eines entsprechenden Auslaufbleches wird der Schweißspalt vergrößert, derart, daß der Lichtbogen nach einem Durchlauf abreißt.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Magnetflußrichtung nach einem Durchlauf des Lichtbogens umzukehren und damit den

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Lichtbogen nochmal in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen. Die Zündung erfolgt zwischen Hilfselektrode und Anlaufblech durch Kurzschluß oder Hochfrequenz· Vor der Zündung des Lichtbogens werden die ersten Magnet spulen bereits magnetisiert, um ein Verharren des Lichtbogens an der Zündstelle und dadurch eine bedingte Beschädigung der Hilfselektrode zu vermeiden.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Lichtbogengeschwindigkeit in weiten Grenzen gesteuert werden kann und damit vielfältige technologische Anwendungsgebiete zu erschließen sind. Durch ein sofortiges Erfassen und Weiterführen des Lichtbogens nach ssiner Zündung werden Nahtfehler durch zu starkes Erschmelzen der Zündstelle verhindert und eine Beschädigung der Hilfselektrode vermieden. Die in dem Dielektrikum eingebetteten Blechlamellen kennen in Form von Bonden in genormten Größen vorgefertigt werden, so daß für den Anwender nur noch die Aufgabe bleibt, sie speziellen Zwecken anzupassen. So ist es möglich, den Innendurchmesser der Sonde der jeweiligen Elektroden- bzw. Bauteilform anzupassen.

Das Einbetten der Blechlamellen in einen festen Grundwerkstoff bringt weiterhin den Vorteil e^eringerer Anfälligkeit gegenüber äußeren Einflüssen (mechanische Einflüsse)· Auch die durch das Magnetfeld hervorgerufene Annäherung benachbarter Forableche bleibt ausgeschlossen.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Verringerung der Streuverluste, was durch den wesentlich kleineren Durchmesser der einzelnen Ma^netspulen bedingt ist· Dadurch werden die Abstände zwischen den Magnet Spulenkernen und Lichtbogenumlauf geringer und damit auch die Streuverluste.

Durch die universelle Anpassungsmöglichkeit des Magnetspulensystems sind auch nichtkreisförmige Nahtformen mit einer erUten Schweißnahtqualität zu schweißen.

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Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführunersbeispielen und den dazugehörenden Zeichnungen näher erläutert werden,

1 : zeicht die schematische Darstellung der Einrichtung

im Schnitt.

2 : zeifrt die Draufsicht nach Fir?« 1 im Mittelschnitt,

zei<?t die schematische Darstellung eines Mahnet syst ems mit eingebetteten Blechlamellen

Fi^.	3 u. 4 :
Flff.	5 :
Pier.	6 :
Fisr.	7 :

die schematische Darstellung eines Mao-netsystems als kompaktes Bauteil,

zeicrt ein Ma^netspulensystem zum Schweißen von 7/erkstücken mit rechteckigem Nahtverlauf

zeisrt ein Ma«?netspulensystem zum Schweißen linearer, nicht in sich geschlossener Schweißnähte,

Kurz vor der Zündung des Lichtbogens zwischen dem Werkstück 1 und Hilfselektrode 2 werden die in dem Srundkörper 3 befestigten Ma.ctftetspulen 4 magnetisiert. Das erfolgt durch eine hierfür konstruierte Steuereinheit 5· I^m vorliegenden Beispiel wird mit Hilfe eines Motors ein spannungsführender Schleifkontakt über die auf einer Grundplatte befestigten Spulenanfänge 6 geführt.

Die Mai?netisierungs.3:eschwindi^keit der einzelnen Maernetspulen 4 entspricht damit der Drehzahl des Motors und ist vorzugsweise stufenlos regelbar· Um eine zur Lichtbogenbewe^ung ausreichende magnetische Induktion im Spalt zu erreichen, besitzt gede Magnetspule 4 einen ferroma^netischen Kern 7 und zwei entsprechende Formbleche 8, die kurz vor dem Schweißspalt enden. Die Breite des Magnetfeldes entspricht ungefähr der Breite der Formbleche 8 im Spalt, Der Lichtbogen wird somit von einem wandernden Magnetfeld geführt und kann, unabhängig von den Parametern des maernetischen Feldes und des Lichtbo^enstromes, bewegt werden,

Nach den Fis;. 3 und 4 werden Blechlamellen 10 in einem Dielektrikum 9 eingebettet. Die Blechlamellen 10 bestehen aus einem ferromagnetischen Werkstoff»

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Auf die am Außenrand der Bonden aus ihrer Einbettung herausragenden Blechlamellen 10 werden Ma«?netspulen gesteckt, die aus ferromagnetischen Kernen 11 mit mehreren aus Kupferlackdraht versehenen Windungen 12 bestehen.Damit ist das leichte Auswechseln der Maernetspulen gewährleistet. Die Hilfselektrode 13 lieprt in einem elektrisch nicht leitenden Grundk^rper 14, auf welchem auch die beiden Bonden befestigt sind. Zum Auswechseln der Hilfselektrode 13 wird die obere Bonde entfernt. Die zum Innenrand der Ronde spitz zulaufenden Bleche ermöglichen eine Abarbeitung. Durch eine vertikale Annäherung der Bonden kann der Luftspalt zwischen denselben variiert werden.

Fig. 5 zeigt die Möglichkeit, die Blechlamellen 10 zur Leitung? des Magnetflusses aus einem Stück zu fertigen. Die Mae·- netspulen werden dabei mit einem Gießharz vergossen, so daß ein kompaktes Bauteil (Magnetsystem) entsteht. Die Elektrodenauflape besteht aus dem gleichen Material, das für die Einbettung der Blechlamellen 10 verwendet wird. Das Spulensystem ist aus ei η and er klappbar bzw. auseinanderziehbar ausgebildet, um das Auswechseln der Hilfselektrode 13 zu gewährleisten.

Wach Fig. 6 werden zum Schweißen von Werkstücken 15 mit rechteckigem Nahtverlauf die Magnetspulen 16 und Magnetbleche 17 so angeordnet, daß sie jeweils einen gleichgroßen Abstand zu dem ihnen gegenüberliegenden Nahtbereich besitzen. Bei der Magnetisierung der nacheinanderfolgenden Masrnetspulen 16 entsteht im Schweißspalt 18 ein Magnetfeldbereich mit konstanter Magnetfelddichte während eines Umlaufes,

Beim Schweißen nicht in sich geschlossener Schweißnähte wird gemäß Fig. 7 der Lichtbogen 21 zwischen einer Hilfselektrode und dem Werkstück 20 mit Magnetisieruzigsereschwindigkeit bewegt, wobei ein Anlaufblech 22 zur Verhinderung von Nahtfehlern voreresehen ist und ein die Länge des Lichtbogens 21 vergrößerndes Auslaufblech 23 zum Abreißen des Lichtbogens 21 nach jedem Nahtdurchlauf führt·

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Die Einleitung des Schweißvorgranges nach dem erfind unsrseremäßen Verfahren wird durch folgende Ausführun^sbeispiele erezeiert :

Es wurde mit der Hochfrequenz-Zünduno; gearbeitet. Kurz vor der Zündung des Lichtbogens wurden die in dem Grundk^rper befestigten Magnetspulen mit einer an sich bekannten Steuereinheit magnetisiert und das Magnetfeld auf eine hohe Anfangsgeschwindigkeit gebracht· Nach dem Zünden des Lichtbogens v/urde die Lichtbogengeschwindigkeit auf einen kleinen, den technologischen Bedingungen entsprechenden Wert gesteuert·

Bei Anwendung der Kurzschluß-Zündung wurde eine Gruppe Magnetspulen, die um das halbe MagnetSpulensystem herum angeordnat waren, ebenfalls durch eine an sich bekannte Steuereinheit magnetisiert. Innerhalb des halben Magnetspulensystems entstand ein die Zündstelle umfassender Magnetfeldbereich mit hoher Geschwindigkeit. Nach Erfassen des Lichtbogens und Weiterführung wurde die Lichtbogengeschwindigkeit analog dem ersten Ausführunersbeispiel auf einen kleineren, geforderten Wert gesteuert.

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Claims

Paten tansprüch e

erfahren zur Steuerung der Lichtbogengeschwindigkeit beim Schweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen, vorzugsweise beim Schweißen mit Hilfselektrode, dadurch (gekennzeichnet, daß kurz vor der Zündung des Lichtbop-ens zwischen dem Werkstück (1) und Hilfselektrode (2) durch eine Steuereinheit (5)» vorzugsweise durch einen spannungsführenden Schleifkontakt oder eine elektronische Steuerung, nacheinander einzelne, ein Spulensystem bildende Macrnetspulen (4) mit einer Stromquelle verbunden werden, wobei die Schaltgeschwindierkeit des Steuersystems entsprechend der Lichtbogengeschwindigkeit bestimmt und der Lichtbogen in einem wandernden Magnetfeld geführt wird·

2« Verfahren zur Steueruni? der Lichtbos-encreschwindio-keit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Zündung und sofortigen Erfassung des Lichtbogens das Magnetfeld bis zur Lichtbogenzündung auf eine hohe Anfangsgeschwindigkeit gebracht und nach dem Erfassen des Lichtbogens die Lichtbogengeschwindigkeit auf einen, den technologischen Bedingungen entsprechenden kleineren Wert gesteuert wird, wobei bei der Anwendung der Kurzschluß-Zündung ein sofortiges Erfassen des Lichtbogens durch einen zeitlichen Magnetfeldvorlauf in der Weise erfolgt, daß insbesondere mehrere hintereinander angeordnete Magnetspulen stationär derart magnetisiert werden, daß ein breiter, etwa das halbe Magnetspulensystem umfassender, die Zündstelle einschließender Magnetfeldbereich entsteht oder bei Anwendung der Hochfrequenz-Zündung die Magnetspulen mit einer hohen Schaltgeschwindigkeit nacheinander magnetisiert werden.

3· Einrichtung zur Steuerung der Lichtbogengeschwindigkeit beim Schweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen nach Anspruch und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Grundkörper (3) angeordnet ist, dem mehrere Magnetspulen (4) zugeordnet sind, wobei jede der Magnetspulen (4) einen ferromagnetischen Kern (7) und zwei entsprechende, kurz vor dem Schweißspalt endende Formbleche (8) besitzt·

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4. Einrichtung zur Steuerung der Tdchtbog-enfreschwindiirkeit beim Schweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen, vorzugsweise beim Schweißen mit Hilfselektrode nach Anspruch 1 bis 3» erelsennzeich.net durch ein Ma#netspulensystem, bestehend aus mehreren kreisförmig- angeordneten Map-net spulen, wobei in einem Dielektrikum (9) voneinander isolierte ferromagnetische Blechlamellen (10) eingebettet sind, daß sich am Ende der ferromaernetischen Blechlamellen (10) aufgesteckte Magnet spulen mit einem ferromas-netischen Kern (11) befinden und die Blechlamellen (10) sich vom Zentrum des ferroma^netischen Kernes (11) in radialer Richtung bis zur Lichtbosrenlaufbahn erstrecken·

5· Einrichtung zur Steuerung der Lichtbocrenereschwindip-keit, insbesondere zum Schweißen nichtkreisförmig-er Nahtformen, nach Anspruch 1 bis 3» gekennzeichnet durch ein aus mehreren Masrnetspulen (4; 16) bestehendes Magnetspulensystem, dessen ereometrische Ibrm dem Schweißspalt (18) oder dem Nahtverlauf angepaßt ist, wobei die einzelnen Maernetspulen (4; 16) und Maernetbleche (17) in einem konstanten Abstand zu dem ihnen sresrenüberlieerenden Hahtbereich angeordnet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (9) als Trägereinheit ausgebildet ist.

7, Einrichtung; nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromaprnetischen Blechlamellen (10) und/oder die Masrnetspulen (4; 16) in einem Gießharz eingebettet sind.

- Hierzu vier Blatt Zeichnungen -

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