DE2609971B2

DE2609971B2 - Gleichstrom-IJchtbogenschweiBgerät für Betrieb mit hochfrequentem Impulsstrom

Info

Publication number: DE2609971B2
Application number: DE2609971A
Authority: DE
Inventors: Toru Goto; Shinichiro Hashimoto; Yukio Kajino
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1975-03-10
Filing date: 1976-03-10
Publication date: 1979-09-06
Also published as: FR2303633A1; US4046987A; JPS51103838A; JPS5232852B2; DE2609971C3; FR2303633B1; DE2609971A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Lichtbogen-Schweißgerät für Betrieb mit hochfrequentem Impulsstrom mit einem ersten Schalter zwischen einem Pluspol einer Gleichrichterbrücke und der Schweißstelle des Schweißstromkreises, mit einem zweiten Schalter, mit einer Steuereinrichtung zur koordinierten Betätigung der beiden Schalter und mit einem Kondensator zur Aufnahme der in der Induktivität des Schweißstromkreises angesam- &o melten Energie bei unterbrochenem Schweißstromkreis.

Es ist bekannt, daß bei Ausführung des Wolfram-Inertgas-Schweißverfahrens (WIG) oder des Metall-Inertgas-Schweißverfahrens (MIG) unter Verwendung eines μ hochfrequenten pulsierenden Stroms mit mehr als 1 KHz gemäß F i g. 1 wünschenswerte Effekte hinsichtlich einer Verbesserung der Lichtbogenstabilität und der Qualität des Schweißergebnisses und der Effiziens des Schweißvorgangs erzielt werden können im Vergleich zur Anwendung von Gleichstrom oder von pulsierendem Strom mit einer Frequenz von weniger als 1 KHz. Die Verbesserung des Schweißergebnisses bei Anwendung eines hochfrequenten pulsierenden Stroms ist beträchtlich bei einer Erhöhung der Amplitude des Impulsstroms bei gleichem mittleren Strom.

Es ist bereits bekannt, ein Gerät gemäß Fig.2 zur Speisung mit Impulsstrom zu verwenden. Das herkömmliche Gerät hat jedoch den Nachteil, daß ein ausreichend hoher Impulsstrom nicht eingespeist werden kann und daß der Leistungsverlust hoch ist Diese Probleme sollen im folgenden näher an Hand der F i g. 2 erläutert werden. Die Einrichtung gemäß F i g. 2 umfaßt eine einphasig oder dreiphasige Wechselstromquelle 1 zur Versorgung des Hauptteils des Schweißgerätes 2 mit Energie. Dieses Schweißgerät 2 umfaßt einen Haupttransformator 3, eine strombegrenzende Drossel 4, eine Gleichrichterbrücke 5, ein Schaltelement 6, eine Steuereinrichtung 7 zur Betätigung des Schaltelementes 6, einen Gleichrichter 8, einen Hilfstransformator 9, eine Hilfsdrossel 10 und eine Hilfsgleichrichterbrücke 11. In Fig. 2 ist die Verbindung dieser Bauteile vereinfacht dargestellt Gewöhnlich sind die Verbindungen zwischen der Stromquelle 1, dem Haupttransformator 3, der strombegrenzenden Drossel 4 und der Gleichrichterbrücke 5 sowie die Verbindungen zwischen der Stromquelle 1, dem Hilfstransformator 9, dir Hilfsdrossel 10 und der Hilfsbrücke 11 durch zwei oder drei Kabel verwirklicht Ein Kabel 12 verbindet die Ausgänge des Hauptteils des Schweißgeräts 2 mit einem Schweißbrenner 13 und einem zu schweißenden Werkstück 14, so daß der Schweißstrom vom Hauptteil des Schweißgerätes 2 zu dem den Lichtbogen erzeugenden Teil fließt Dieses herkömmliche Schweißgerät gemäß Fig.2 arbeitet folgendermaßen. Wenn das Schaltelement 6 unter Steuerung durch die Steuereinrichtung 7 mit einer Frequenz von mehr als 1 KHz ein- und ausgeschaltet wird, so wird das Ausgangssignal der Gleichrichterbrücke 5 jeweils beim Einschalten des Schaltelementes 6 kurz-geschlossen, so daß in diesem Falle der konstante Strom, welcher durch die Ausgangsspannung des Haupttransformators 3 und die Impedanz der strombegrenzenden Drossel 4 vorgegeben ist, durch das Schaltelement 6 fließt Wenn das Schaltelement 6 ausgeschaltet wird, so fließt der konstante Strom durch den Gleichrichter 8, da* Kabel 12, das Werkstück 14, die Schweißelektrode 13 und das Kabel 12. Somit kommt ein Impulsstrom zwischen dem Kabel 12 und dem den. Lichtbogen erzeugenden Teil durch Ein- und Ausschalten des Schaltelementes 6 zustande. Der Hilfsstromkreis bestehend aus dem Hilfstransformator 9, der Hilfsdrossel 10 und der Hilfsgleichrichterbrücke 11 dient zur Einspeisung eines den Lichtbogen aufrechterhaltenden Stroms mit einem recht geringen Stromwert Dieser bestimmt sich aus dem Ausgangsstrom des Hilfstransformators 9 und aus der Impedanz der Hilfsdrossel 10. Dieser den Lichtbogen aufrechterhaltende Hilfsstrom fließt über die Hilfsgleichrichterbrücke 11 zum den Lichtbogen erzeugenden Teil des Gerätes. Daher wird der Lichtbogen zwischen der Schweißelektrode 13 und dem Werkstück 14 aufrechterhalten, auch wenn das Schaltelement 6 eingeschaltet ist und somit der Impulsstrom nicht zum Lichtbogen erzeugenden Teil fließt Der Gleichrichter 8 verhindert, daß der Ausgangsstrom der Hilfsgleichrichterbrücke 11 durch das Schaltelement 6 fließt, wenn das Schaltelement 6 eingeschaltet

ist Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß der Schweißstrom der F i g. 1 durch das Kabel 12, die Schweißelektrode 13 und das Werkstück 14 bei der herkömmlichen Einrichtung gemäß F i g. 2 fließt

In Fig.2 ist das Schaltelemente als mechanischer Kontakt dargestellt Bei der praktischen Ausführung der Schaltung wird jedoch ein Halbleiterschaltelement ähnlicher Funktion verwendet, um ein wiederholtes Umschalten mit einer Schaltfrequenz von mehr als 1 KHz zu erzielen. Wenn ein Transistor als Schaltete- iu ment 6 verwendet wird, so kommt die Ausführungsform der F i g. 3 für das Schaltelement 6 und die Steuereinrichtung? in Frage. In Fig.3 umfaßt das Schaltelement 6 einen Transistor 15 für das Ein- und Ausschalten des Stroms und eine Diode 16 konstanter Spannung, welche parallel zum Transistor geschaltet ist Der Transistor 15 wird durch den Signalstrom umgeschaltet, welcher vom Steuerteil 7 der Basis des Transistors zugeführt wird. Die Arbeitsweise der Diode 16 konstante? Spannung wird weiter unten erläutert

Im allgemeinen kann das Kabel 12 gemäß F i ψ 2 eine Länge haben, welche im Bereich von mehreren Metern bis zu mehreren 10 Metern liegt, je nach dem Ort an dem die Schweißung vorgenommen werden muß. In dem Schweißkabel liegt stets etwa eine Induktivität von etwa 1 μΗ pro 1 m vor. Somit erhält man bei einem Impulsstrom mit einer Frequenz von mehreren KHz nicht die Impulsform gemäß Fig. 1, sondern die Impulsform gemäß Fig.4. Die Nachteile der Vorrichtung gemäß Fig.2 und 3 werden hauptsächlich durch die Induktivität des Kabels 12 verursacht Im folgenden sollen diese Nachteile an Hand der Fig.4 näher erläutert werden. Bei der herkömmlichen Vorrichtung gemäß den F i g. 2 und 3 ist die Ausgangsstromstärke h der Gleichrichterbrücke 5 konstant, und zwar unabhängig von dem Schaltzustand des Schaltelementes 6, da die strombegrenzende Drossel 4 eine extrem große Impedanz hat Es gilt die folgende Gleichung:

h + /3 = Λ-- (konstant)

(I)

wobei /2 den durch das Schaltelemente fließenden Strom bezeichnet und wobei /3 den durch den Lichtbogen erzeugenden Teil fließenden Schweißstrom bezeichnet Wenn das Schaltelement f> zur Zeit fi in F i g. 4 ausgeschaltet wird, d. h. wenn zum Zeitpunkt ti das den Transistor 15 beaufschlagende Signal der Steuereinrichtung 7 gestoppt wird, so kommt es nicht zu einem momentanen Anstieg des Schweißstroms /3 wie in Fig. 1 gezeigt, sondern zu einem allmählichen Anstieg gemäß F i g. 4 von dem Zeitpunkt t\ an. Dies ist auf die Induktivität des Kabels 12 zurückzuführen. Daher kann der durch das Schaltelement 6 fließende Strom /2 gemäß Gleichung (1) nicht unmittelbar nach dem Zeitpunkt t\ den Wert Null haben. Der Transistor 15 der Fig.3, welcher als Schaltelement 6 dient, befindet sich jedoch nach dem Zeitpunkt t\ im AUS-Zustand. Der von diesem Zeitpunkt an abfallende Strom h fließt durch die Diode 16 konstanter Spannung. Zum Zeitpunkt h nimmt der Strom h den Wert Null an und der Strom h erreicht den &o Wert /1. Der Schweißstrom h behält den konstanten Wert /ι bis zum Zeitpunkt /3 bei Wenn nun das Schaltelement 6 zum Zeitpunkt h eingeschaltet wird, so fällt der Strom I₃ nicht momentan auf Null ab, sondern er fällt langsam gemäß einer Zeitkonstante ab, welche durch die Induktivität und «furch die Widerstände der Schaltung und durch die Lichtbogenspannung unter Stromfluß durch das Schaltelement 6. die Diode 8. das Kabel 12, das Werkstück 14, die Schweißelektrode 13 und das Kabel 12 zurück zum Schaltelement 6 bestimmt ist Der Widerstand in dieser Stromschleife ist jedoch gewöhnlich gering, so daß die Zeitkonstante für den Stromabfall gewöhnlich ebenso groß wie oder größer als die Frequenz des Impulsstroms ist Somit erhält man im Falle eines relativ kurzen Kabels 12 und einer geringen Induktivität die Impulsform des Schweißstroms /3 gemäß F i g. 4. Wenn jedoch die Induktivität hoch ist oder wenn die Frequenz des Schaltelementes 6 hoch ist, so setzt die nächste Impulsperiode ein, bevor der Strom /3 genügend abgefallen ist und das Schaltelement 6 ausgeschaltet ist Somit erhält man die Wellenform gemäß F i g. 5, wobei der Impulsstrom eine geringe Amplitude hat Von diesem Stromverlauf können die Wirkungen eines Impulsstroms im wesentlichen nicht mehr erwartet werden.

Die Verluste des Stromflusses I₂ durch die Diode 16 konstanter Spannung gemäß Fig.3 während der Zeitdauer ti bis fc nehmen zu n«t zunehmender Induktivität des Kabels, wodurch die Effizienz des Gerätes drastisch herabgesetzt wird.

Aus der FR-OS 22 21 223 ist ein Gleichstromlichtbogen-Schweißgerät für Betrieb mit hochfrequentem Impulsstrcm der eingangs genannten Art bekannt, bei dem ein zusätzlicher Halbleiterschalter zwischen dem Plus-Pol der Gleichrichterbrücke und der Schweißstelle des Schweißstromkreises angeordnet ist Ferner ist ein Kondensator vorgesehen, welcher der Aufnahme der in der Induktivität des Schweißstromkreises angesammelten Energie bei unterbrochenem Schweißstromlcreis dient Mit einer solchen Schaltung werden jedoch die oben aufgezeigten Probleme nicht befriedigend gelöst Denn es kommt zu Energieverlusten und die Differenz zwischen Strom-Maximum und Strom-Minimum ist unzureichend.

Aus der US-PS 37 77 176 ist eine Impulsgeneratorschaltung für induktive Lasten bekannt, welche zu Stromimpulsen mit steilem Stromanstieg, steilem Stromabfall und einem flachen mittleren Bereich führt Zur Erzwingung des steilen Stromanstiegs und Stromabfalls ist eine gesonderte Hochspannungsquelle erforderlich. Zur Herbeiführung des steilen Stromanstiegs wird die Hochspannungsquelle über ein erst«» gleichzeitig angesteuertes Thyristorpaar mit der Last verbunden. Zur Herbeiführung des steilen Stromabfalls wird der durch die Last fließende Strom über zwei weitere gleichzeitig angesteuerte Thyristoren einem Kondensator zugeführt Eine solche Impulsgeneratorschaltung ist nicht zur Lösung der oben beschriebenen Probleme der herkömmlichen Gleichstrom-Lichtbogenschweißgeräte geeignet

Es ist tjaher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, welches einen genügend hochfrequenten Betrieb mit einem genügend großen Unterschied zwischen Strom-Maximum und Strom-Minimum gestattet

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zweite Schalter zwischen dem Minuspol der Gleichrichterbrücke und der Schweißstelle »ngiordnet ist, daß der Kondensator Plus- und Minuspol der Gleichrichterbrücke verbindet, daß zwei Gleichrichter derart geschaltet sind, diß der Kondensator die Energie des Schweißstromkreises aufnimmt, wenn beide Schalter sich im Aus-Zustand befinden, und daß die Steuereinrichtung den ersten und zweiten Schalter während einer bestimmten Zeit einseschaltet hält und

dann zunächst den ersten und dann den zweiten Schalter ausschaltet

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Steuereinrichtung Ober einen Nebenschluß die Momentanwerte des durch den Lichtbogen fließenden Schweißstroms ermittelt und die beiden Schalter in Abhängigkeit davon schaltet Wenn der ermittelte Momentanwert über einem vorbestimmten Wert liegt, so werden beide Schalter ausgeschaltet, um eine Beschädigung der Apparatur zu verhindern. ι ο

Bei einer weiteren Ausgestaltung des Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerätes ist je ein Widerstand oder eine Induktivität oder eine Schaltung bestehend aus einem Widerstand und einer Induktivität parallel zum ersten Schalter und zum zweiten Schalter geschaltet, so daß man unter Vermeidung einer gesonderten Stromquelle während des AUS-Zustandes der Schalter einen den Lichtbogen aufrechterhaltenden Hilfsstrom einspeisen kann.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsge- m mäßen Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerätes ist ein Transformator vorgesehen, wobei eine Primärwicklung des Transformators mit einem Hochfrequenzgenerator verbunden ist und wobei eine Sekundärwicklung in Reihe zu der Lichtbogenlast geschaltet ist. Der Hochfrequenzgenerator wird nur betätigt, wenn die Lichtbogenlast gestartet wird. Die Induktivität der Sekundärwicklung kann variiert werden, so daß die Induktivitäten der Einrichtung ausgeglichen werden können. so

Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerätes ist vorgesehen, daß die Steuereinrichtung in Abhängigkeit von zwei Momentanwerten des Schweißstroms Schaltbefehlssignale erzeugt Diese führen zu einer Einspeisung des Schweißstroms derart, daß dieser vielmals zwischen den beiden Momentanwerten wechselt. Dabei wird ein Schweißstrom mit einem vorbestimmten mittleren Wert zugeführt und zwar auch wenn die Induktivität des Kabels gering ist oder die Wiederholungsfrequenz des Impulses relativ klein ist.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen idealen Stromverlauf eines herkömmlichen Lichtbogen-Schweißgerätes für einen Betrieb mit hochfrequenten Gleichstromimpulsen,

F i g. 2 eine schematische Darstellung der Schaltung einer herkömmlichen Lichtbogen-Schweißeinrichtung für einen Betrieb mit hochfrequenten Gleichstromimpulsen,

F i g. 3 eine Ausführungsform des Schaltelements der herkömmlichen Vorrichtung gemäß F i g. 2,

F i g. 4 eine Ausgangsstromwellenform der herkömmlichen Einrichtung gemäß F i g. 2,

Fig.5 ein anderes Beispiel der Ausgangsstromwellenform der Einrichtung gemäß F i g. 2,

Fig.6 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

F i g. 7 eine Sequenz und eine Ausgangsstromwellenform der Einrichtung gemäß F i g. 6,

Fig.8 eine andere Ausgangsstromwellenform der Einrichtung gemäß F i g. 6,

Fig.9 eine weitere Ausgangsstromwellenform der Einrichtung gemäß F i g. 6;

F i g. 10 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

F i g. 11 ein Schaltbild eines Teils der Einrichtung gemäß Fig. 10,

F i g. 12 eine Sequenz und eine Ausgangsstromwellenform der Einrichtung gemäß F i g. 10,

Fig. 13 ein Detailschaltbild der Einrichtung gemäß den Fig. 10und 11,

F i g. 14 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der Schaltung gemäß F i g. 13 und

Fig. 15 eine abgewandelte Ausführungsform eines Teils der Schaltung einer erfindungsgemäßen Einrichtung.

In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder sich entsprechende Bauteile.

F i g. 6 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißeinrichtung. In den F i g. 2 und 3 einerseits und in F i g. 6 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder sich entsprechende Bauteile. Die einphasige oder dreiphasi-σρ W^prh^fie!stroniⁿuene I fuhrt dem Hsii^ttsi! des Schweißgerätes 2 Wechselstrom zu. Dieser Hauptteil des Schweißgerätes 2 umfaßt einen Haupttransformator 3, eine Gleichrichterbrücke 5, Halbleiterschaltelemente 17, 18, eine Steuereinrichtung 7 zur Steuerung des Einschaltens und Ausschaltens der Schaltelemente 17, 18, einen Kondensator 21 mit großer Kapazität am Ausgang der Gleichrichterbrücke 5, Diodengleichrichter 19, 20 zur Aufladung des Kondensators mit Energie welche "rieh in der Induktivität der Schaltung während des AUS-Zustandes der Schaltelemente 17,18 angesammelt hat, einen Hilfstransformator 9, eine Hilfsdrossel 10 und eine Hilfsgleichrichterbrücke 11. Die Verbindung zwischen der Stromquelle 1, dem Haupttransformator 3 und der Gleichrichterbrücke 5 sowie die Verbindung zwischen dem Hilfstransformator 9, der Hilfsdrossel 10 und der Hilfsgleichrichterbrücke 11 besteht aus zwei oder drei Kabeldrähten. Die Zeichnung wurde in dieser Beziehung vereinfacht.

Ein Kabel 12 verbindet den Ausgangsanschluß des Hiiuptteils des Schweißgerätes mit einer Schweißelektrode 13 und einem zu schweißenden Werkstück 14, so daß der Schweißstrom vom Hauptteil des Schweißgerätes 2 zum Lichtbogen erzeugenden Teil fließt. Die Gleichrichterbrücke 5 besteht aus einer Diodenbriikkenschaltung und dient der Gleichrichtung des Wechselstroms. Es wird ein Gleichstrom mit im wesentlichen geglätteter Wellenform gebildet Dieser wird der Schaltung zugeführt, weiche die Schweißelektrode 13 und das Werkstück 14 umfaßt

Das erste Schaltelement i? liegt zwischen der Lichtbogenlast (weiche zwischen der Elektrode 13 und dem Werkstück 14 liegt) und dem positiven Au£_oang der Gleichrichterbrücke 5. Das zweite Schaltelement 18 liegt zwischen der Lichtbogenlast und dem negativen Ausgang der Gleichrichterbrücke 5. Die Kathode des ersten Gleichrichters, d.h. der Diode 19, ist mit dem positiven Ausgang der Gleichrichterbrücke 5 verbunden und die Anode ist mit dem Ausgang des Hauptteils des Schweißgerätes 2 verbunden, welcher mit der Schweißelektrode 13 verbunden ist Die Kathode des zweiten Gleichrichters, d. h. der Diode 20, ist mit dem Ausgang des Hauptteils des Schweißgerätes 2, welcher mit dem Werkstück 14 verbanden ist, verbunden und die Anode des zweiten Gleichrichters ist mit dem negativen Ausgang der Gleichrichterbrücke 5 verbunden.

Der Hilfstransformator 9, die Hilfsdrossel 10 und die Hiifsgleichrichtcke 11 bilden eine Stromversorgung zur Bereitstellung eines den Lichtbogen aufrechterhaltenden Stroms. Hierdurch wird die Schweißelektrode und das Werkstück während des Schweißvor-

gangs stets mit dem für die Aufrechterhaltung des Lichtbogens erforderlichen Gleichstroms versorgt. Die Gleichstrom-Ausgangsseite der Hilfsgleichrichterbrükke 11 liegt zwischen der Elektrode und dem Werkstück.

Im folgenden soll die Arbeitsweise dieser Einrichtung unter Bezugnahme auf F i g. 7 erläutert werden. Der Schalte* 17 ist während der Zeitdauer vom Zeitpunkt t, bis zum ."Zeitpunkt t₂ eingeschaltet und der Schalter 18 ist während der Zeitdauer vom Zeitpunkt fi bis zum Zeitpunkt h eingeschaltet. Dies geschieht -inter Steuerung der Steuereinrichtung 7. Dia Zeitdauer vom Zeitpunkt U bis zum Zeitpunkt U bildet eine Periode und die gleichen Steuerbefehle werden nach dem Zeitpunkt U, wiederholt gegeben. Wenn die Schalter 17 und 18 eingeschaltet sind, so steigt der Strom vom Zeitpunkt h bis zum Zeitpunkt h mit einer Geschwindigkeit an, welche von der Induktivität des Kabels 12 abhängt. Der Anstieg erfolgt dabei in gleicher Weise wie der Anstieg zwischen dem Zeitpunkt fi und dem Zeitpunkt h der F i g. 4. Dabei fließt der Strom durch die Gleichrichterbracke 5, den Schalter 17, das Kabel 12, das Werkstück 14, die Schweißelektrode 13, das Kabel 12 und den Schalter UL

Wenn nun der Schalter 17 zum Zeitpunkt fc ausgeschaltet wird, während andererseits der Schalter 18 seinen liIN-Zustand beibehält, so fällt der Strom des Kabels 12 allmählich ab, und zwar mit einer relativ langen Zeitkonstante. Dabei fließt der Strom durch eine Schleife bestehend aus dem Kabel 12, dem Werkstück 14, df Schweißelektrode 13, dem Kabel 12, dem Schalter IiI und dem Gleichrichter 20, und zwar aus dem gleichen Grunde wie der Stromverlauf nach dem Zeitpunkt t₃ in F i g. 5. Wenn nun der Schalter 18 zum Zeitpunkt i₃ in F i g. 7 ausgeschaltet wird, so fließt der Strom durch das Kabel, das Werkstück 14, die Schweißelektrode 13, das Kabel 12, den Gleichrichter 19, den Kondensator 21 und den Gleichrichter 20, wodurch der Kondensator 21 aufgeladen wird. Da der Kondensator 21 eine große Kapazität hat, behält er einen konstanten Wert bei, je nach der Ausgangsspannung des Kaupttransformators 3. Die Abfallrate des Kabelstroms welcher durch die Schaltung fließt, ist wesentlich schneller als die Abfallratc des durch die zuvor beschriebene Stromschleife während der Zeitdauer vom Zeitpunkt tj bis zum Zeitpunkt /3 fließenden Stroms, und zwar auf Grund des Potentials des Kondensators 21. Der Schweißstrom ist in F i g. 7 gezeigt

Mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung erzielt man eine recht hohe Amplitude des Impulsstroms durch richtige Wahl des Zeitpunktes fe in F i g. 7 im Vergleich zu den bekannten Einrichtungen. Darüber hinaus wird der Stromfhiß auf Grund der Induktivität des Kabels 12 durch die Gleichrichter 19,20 aufrechterhalten, obgleich die Schalter 17,18 ausgeschaltet sind Demgemäß muß die Einrichtung keine Diode 16 konstanter Spannung wie in Fig.3 enthalten und die Verluste des Gerätes sind somit herabgesetzt

Wenn jedoch eine erfindungsgemäße Einrichtung gemäß Fig.6 mit verkürztem Kabel 12 und verringerter Induktivität betrieben wird, so steigt die Geschwindigkeit der Zunahme oder Dämpfung des Stroms im wesentlichen umgekehrt proportional zum Wert der Induktivität Wenn die Periode des Impulsstroms konstant ist; se erhält man die Stromweöenibrai gemäB Fig.8 und der mittlere Wert des Schweißstroms ist herabgesetzt Somit hat der Zustand des Kabels einen erheblichen Einfluß. Wenn die Flanken des Stroms in den verschiedenen Bereichen die Form gemäß F i g. 8 haben (in Abhängigkeit von der Induktivität), so muß man zur Erzielung eines Stroms mit einem für die Gestalt und Art des Werkstückes geeigneten Mittelwert den Spitzenwert des Impulsstroms gemäß Fig.9 erhöhen. Der Peak-Wert ist jedoch durch den zulässigen Strom der Halbleiterschalter 17,18 begrenzt. Somit hat die Einrichtung gemäß Fig.6 den Nachteil, daß der gewünschte Mittelwert des Stromes im Falle einer

ίο geringen Induktivität des Kabels nicht erhalten werden kann.

Fig. 10 zeigt ein Schaltbild einer verbesserten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung. Gleiche Bezugszeichen in Fig. 10 und in Fig.6

ι 5 bezeichnen gleiche oder sich entsprechende Bauteile. In Fig. 10 dienen Transistoren als Schalter 17, 18. Widerstände 22,23 sind parallel zu den Transistoren 17, 18 geschaltet und der Nebenschluß 24 zur Ermittlung der SchweißstroTistärke besteht aus einem Element mit einem geringen Widerstand. Hierdurch wird ein dem Schweißstrom entsprechendes Signal der Steuereinrichtung zugeführt. Eine Primärwicklung von Kopplungsspulen 25 ist mit einem Hochfrequenzgenerator 35 verbunden, welcher für den Lichbogenstart dient. Eine Sekundärwicklung der Kupplungsspule 25 ist gemäß Fig. 10 mit dem Ausgang des Hauptteils der erfindungsgemäßen Schweißsinrichtung verbunden. Eine Vielzahl von Abgriffen 28,29 sind an der Sekundärwicklung der Kopplungsspule 25 vorgesehen und Anschlüsse 27, 30 sind an beiden Enden der Sekundärwicklung vorgesehen und mit den beiden Enden eines Schaltkontaktes 26 verbunden. Das Bezugszeichen 31 bezeichneten einen Kondensator mit geringer Kapazität und ausgezeichneten Hochfrequenzcharakteristika. Die Bezugszeichen 32 und 33 bezeichnen Steuerschaltungen zur Schaltsteuerung der Transistoren 17,18 auf Grund eines Befehls durch die Steuereinrichtung 34.

Im folgenden soll die Arbeitsweise der Einrichtung gemäß Fig. 10 erläutert werden. Vor Beginn des Schweißvorgangs, d.h. in der Zeit, während der zwischen der Schweißelektrode 13 und dem Werkstück 14 kein Lichtbogen gebildet wird, ist der Kontakt 26 ausgeschaltet. Wenn der Schweißstartbefehl von einer nicht gezeigten Einrichtung an die Steuereinrichtung 34 gegeben wird, sowie an den Hochfrequenzgenerator für die Lichtbogenstartung 35, so wird ein Hochfrequenzstrom für die Lichtbogenstartung von dem Hochfrequenzgenerator 35 der Primärwicklung der Kopplungsspule 25 zugeführt Der durch diesen Strom in der

so Sekundärwicklung zugeführte Hochfrequenzstrom flieft durch den Kondensator 31, das Kabel 12, das Werkstück 14, die Schweißelektrode 13 und das Kabel IZ Hierdurch wird zwischen der Schweißelektrode 13 und dem Werkstück 14 ein Pilotlichtbogen gebildet Zur Stabilisierung des Pilotlichtbogens wird durch Betätigung des Transistors 17 während einer kurzen Zeit ein Strom mit einem vom Schweißstrom unterschiedlichen Wert dem den Lichtbogen erzeugenden Teil des Geräts zugeführt Dieser Strom wird als Anfangsstrom bezeichnet Von nun an entspricht der Betrieb der Transistoren 17, 18 im wesentlichen der Fig.7. Während der Anfangsstromperiode befindet sich jedoch der Kontakt 26 im AUS-Zustand und die Induktivität der Sekundärwicklung der Kopplungsspule 25 liegt in dem Stromkreis. Auf diese Weise wird ein übermäßiger Spitzenstrom verhindert

Nach Beendigung der Anfangsstromperiode, welche gewöhnlich weniger als 1 see beträgt, ist der Lichtbogen

stabilisiert und der Betrieb des Hochfrequenzgenerators 35 wird gestoppt und der Kontakt 26 wird eingeschaltet, wodurch die Anschlüsse 27, 30 der Kopplungsspule 25 kurz-geschlossen werden. Sodann werden die Transistoren 17, 18 betätig; und es kommt ein Schweißstrom zustande, welcher einen vorbestimmten mittleren Wert hat. Man kann die optimale Induktivität für den Betrieb der Einrichtung erzielen durch Hinzufügung der Induktivität zwischen den Anschlüssen 29, 30 der Kopplungsspule 25 zur Induktivität des Kabels 12 (indem man die Anschlüsse 27, 29 mit dem Kontakt 26 kurzschließt) je nach Induktivität des Kabels 12 und zwar unter dem Gesichtspunkt einer geringen magnetischen Kopplung der Kopplungsspule 25 (Luftkern).

Bei der Einrichtung gemäß Fig. 10 sind die Widerstände 22, 23 an Stelle der Schaltung des Hilfstransformators 9, der Drossel 10 und der der Transistor 17 bei Erreichung des Momentanwertes /p2 wieder eingeschaltet. Dies geschieht zum Zeitpunkt h. Nach dem Zeitpunkt t₂ hat die Schaltung die gleiche Struktur wie in der Periode vom Zeitpunkt 0 bis zum Zettpunkt U und der Strom beginnt wieder zu steigen. Wie in F i g. 12 im Anschluß an den Zeitpunkt fe gezeigt, fluktuiert der Schweißstrom im Bereich zwischen i_p\ und l/a durch wiederholtes Ein- und Ausschalten des Transistors 17. Wenn der Strom zum Zeitpunkt U, den

ίο vorbestimmten Mittelwert erreicht, so werden beide Transistoren 17,18 ausgeschaltet und der Strom fällt aus den gleichen Gründen wie in F i g. 7 rasch ab. Die nächste Periode beginnt zum Zeitpunkt tj. Nun wiederholt sich der beschriebene Vorgang. Wenn die Transistoren 17,18 wie oben erwähnt gesteuert werden, steigt der durch die Transistoren 17,18 fließende Strom nicht über den Wert l_p\ und die Transistoren 17, 18

ι IUl UlC uciciiaiciiuug ciiica ucii

Lichtbogen aufrechterhaltenden Hilfsstroms vorgesehen. Auf diese Weise fließt der den Lichtbogen aufrechterhaltende Strom durch die Gleichstrombrükke5, den Widerstand 22, den Kabeldraht 12, das Werkstück 14, die Schweißelektrode 13, das Kabel 12, den Kontakt 26, den Nebenschluß 24 und den Widerstand 23 auch wenn beide Transistoren 17,18 sich im AUS-Zustand befinden und der Impulsstrom unterbrochen ist. Demgemäß ist die Hilfsschaltung bestehend aus dem Hilfstransformator 9, der Hilfsdrossel 10 und der Hilfsgleichrichterbrücke 11 entbehrlich.

Man kann mit der Vorrichtung gemäß Fig. 10 eine höhere Zuverlässigkeit erzielen, wenn man in Verbindung mit dem Kurzschlußbetrieb der Kopplungsspule 25 der Steuereinrichtung 34 eine zusätzliche Funktion erteilt. Hierdurch wird die Einrichtung auf eine große Vielzahl verschiedener Induktivitäten des Kabels 12 anwendbar. Dieser Betrieb soll im folgenden erläutert werden. Nach beendeter Anfangsstromperiode befindet sich der Kontakt 26 im EIN-Zustand und der Hochfrequenzgenerator 35 ist abgeschaltet Der Kondensator 31 hat eine kleine Kapazität und läßt somit nur den Hochfrequenzstrom dtS Hochfrequenzgenerators 35 während der Lichtbogenstartperiode durch. Die Widerstände 22, 23 führen wie oben beschrieben den den Lichtbogen aufrechterhaltenden Strom. In F i g. 11 . sind nun diejenigen Teile der F i g. 10 dargestellt, weiche für die weitere Erläuterung erforderlich sind Die Steuereinrichtung 34 der F i g. 11 umfaßt ein Bauteil zur Ermittlung des Momentanwertes des Stroms durch Empfang des Signals des Nebenschlußelements 24. Hierdurch werden die Momentanwerte I_p\ und Ip₂ für die Steuerung der Transistoren 17, 18 ermittelt Die Steuenrethode wird im folgenden an Hand der F i g. 12 erläutert, welche die Schaltsequenz der Einrichtung gemäß F ig. 11 zeigt

Wenn gemäß Fig. 12 die Transistoren 17, 18 der F i g. 11 zum Zeitpunkt 0, nämlich zum Beginn der Periode des Impulsstroms eingeschaltet werden, so beginnt der Schweißstrom in gleicher Weise wie in F i g. 7 zu steigen. Die Tatsache, daß der Momentanwert des Schweißstroms den Wert I_p\ erreicht, wird durch das Nebenschlußelement 24 und die Steuereinrichtung 34 festgestellt und demzufolge wird der Transistor 17 ausgeschaltet Dies geschieht zum Zeitpunkt fi. Vom Zeitpunkt ti an fällt der Schweißstrom mit einer relaviv langen Zeitkonstante in gleicher Weise wie in F f g. 7 ab. Wenn die Induktivität des Kabels 12 zu gering ist, so daß gemäß Fig.8 ein rascher Abfall eintritt und der vorbestimmte Mittelwert nicht erreicht wird, so wird wciucii im vjcgcuaaiz. au ucui ΐ'αιΐ uci i^:ig.j iui.iii tuii

einem Überstrom durchflossen. Auf diese Weise kann der Strom mit dem vorbestimmten Mittelwert unter jedem Kabelzustand erreicht werden. Der Einfluß der Stromfluktuation während der Periode fi bis fe auf den Schweißvorgang ist vernachlässigbar wenn der Wert Ip₂ nahe bei l_p\ liegt

Fig. 13 zeigt eine Schaltung der Steuereinrichtungen 32, 33, 34 der Fig. 11. In Fig. 13 bezeichnet das Bezugszeichen 24 ein Nebenschlußelement, welches mit demjenigen der Fig. 11 identisch ist Die dem Schweißstrom entsprechende Signalspannung wird

jo über eine Signalleitung 51 und eine aus einem Widerstand 49 und einem Kondensator 50 bestehende Glättungsschaltung zu dem Einlaß eines Fehlerverstärkers 54 geführt, und ferner zum Einlaß der Vergleichsschaltungen 38,39. Die Bezugszeichen 36,37 bezeichnen veränderbare Widerstände zur Einstellung von I_p\ und Ip₂. Beide Schleifabgriffe sind mit den anderen Eingängen der Vergleichsschaltungen 38,39 verbunden. Der Ausgang der Vergleichsschaltung 38 ist über eine aus einem Kondensator 40 und einem Widerstand 41 bestehende Differentialschaltung mit einem Fingangsanschluß 45 einer Flip-Flop-Schaltung 44 verbunden. Der Ausgang der anderen Vergleichsschaltung 39 ist über eine aus einem Kondensator 42 und einem Widerstand 43 bestehende Differentialschaltung mit dem anderen Eingang der Flip-Flop-Schaltung 44 verbunden. Die Flip-Flop-Schaltung 44 gibt ein Ausgangssignal 47 ab, wenn am Eingang 46 der Signalimpuls anliegt Andererseits wird kein Ausgangssignal 47 abgegeben, wenn der Signalimpuls am anderen Eingang 45 anliegt Das Bezugszeichen 48 bezeichnet ein UND-Glied, welches ein Ausgangssignal abgibt, wenn die Signale 47 und 59 gleichzeitig vorliegen. Das Bezugszeichen 52 bezeichnet einen veränderbaren Widerstand zur Festlehung des Mittelwertes des Schweißstroms und der Schiebeabgriff des Widerstands ist fiber eine Signalleitung 53 mit dem Fehlerverstärker 54 verbunden. Das Bezugszeichen 56 bezeichnet einen veränderbaren Widerstand zur Festlegung der Wiederholungsfrequenz des Impulsstroms und der Schiebeab-

eo griff dieses Widerstandes 56 ist mit dem Eingang eines Wiederholungsfrequenzgenerators 57 verbunden. Dabei handelt es sich um einen Oszillator, welcher ein Ausgangssignal mit Dreieckswellenform erzeugt dessin Frequenz vom Ausgangssignal des veränderbaren Widerstandes 56 abhängt Dieses Ausgangssignal gelangt zu einem der Eingänge einer Vergleichsschaltung 58. Der andere Eingang der Vergleichsschaltung 58 ist mit dem Ausgang 55 des Fehlerverstärkers 54

verbunden. Das Ausgangssignal 59 der Vergleichsschaltung gelangt zu einer Lichtemissionsdiode 61 der Steuereinrichtung 33 und ferner zu einem der Eingänge des UND-Gliedes 60. Der Ausgang des UND-Gliedes 60 gelangt zu einer Lichtemissionsdiode 62 der Steuereinrichtung 32. Das Bezugszeichen 64 bezeichnet einen Phototransistor welcher eingeschaltet wird, wenn er Licht von der Lichtemissionsdiode 61 empfängt Das Bezugszeichen 63 bezeichnet einen Lastwiderstand des Phototransistors 64. Das Bezugszeichen 66 bezeichnet einen Phototransistor mit der gleichen Funktion wie der Phototransistor 64. Auch dieser wird durch Empfang von Licht von der Lichtemissionsdiode 62 eingeschaltet. Das Bezugszeichen 65 bezeichnet einen Lastwiderstand des Phototransistors 66. Die Bezugszeichen 67 und 68 bezeichnen Signalinverter deren jeder gewöhnlich einen Transistor und eine Vielzahl von Widerständen des Ausgangssignals 55 zu und wenn andererseits der Schweißstrom von dem vorbestimmten Wert ansteigt, so nimmt das Potential des Ausgangssignals 55 ab.
Fig. Ί4 zeigt die Beziehung zwischen dem Fjngangssignal des VergUiichsstromkreises 58 und dem Signal am Ausgang 59. F i g. 14 (i) zeigt das Ausgangssignal (a) des Oszillators 57, das Ausgangssignal 55 (b), wenn der Schweißstrom von einem vorbestimmten Wert absinkt und das Ausgangssignal 55 (c) für den entgegengesetz-

iii ten Fall. Die Fig. 14 (ii) zeigt das Ausgangssignal 59 für den Fall (c) des Ausgangssignals 55 und die F i g. 14 (iii) zeigt das Ausgangssignal 59 für den Fall (b) des A'jsgangssignals 55. Das Ausgangssignal 59 gelangt durch die Lichtemissionsdiode 61, den Phototransistor

ι > 64 und die Signalumkehrschaltung 67 zum Transistor IC als Signal für die Betätigung des Transistors 18. Wenn das Ausgangssignal 59 in den Fällen der F i g. 14 (ii) und

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dient (wie in Fig. 11) wenn die Ausgangssignale der Phototransistoren 64 oder 66 empfangen werden.

Im folgenden soll die Arbeitsweise der Einrichtung gemäß Fig. 13 erläutert werden. Während der Zeitdauer vom Zeitpunkt0bis zum Zeitpunkt U der Fig. 12 steigt das Potential der Signalleitung 51 in Abhängigkeit vom Anstieg des Schweißstroms. Wenn das Potential die Ausgangsspannung des veränderbaren Widerstandes 36 zum Zeitpunkt fi erreicht, so macht das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 38 einen Sp-ung. Diese Änderung wird durch die Differentialschaltung 40, 41 in einen Impuls umgewandelt Dieser Impuls erreicht den Eingangsanschluß 45 der Flip-Flop-Schaltung 44 und hierdurch verschwindet das Ausgangssignal 47. Wenn andererseits der Schweißstrom abnimmt, und das Potential der Signalleitung 51 die Ausgangsspannung des veränderbaren Widerstandes 37 zu einem Zeitpunkt während der Zeitdauer Λ bis f2 gemäß F i g. 12 erreicht so betätigt das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 39 die Flip-Flop-Schaltung 44 und es wird das Ausgangssignal 47 gebildet. Somit wird das Ausgangssignal 47 nur gebildet wenn das Potential 51 im Bereich zwischen den Ausgangsspannungen der variablen Widerstände 36 und 37 liegt und ansteigt. Wenn die Ausgangsspannungen der veränderbaren Widerstände 36, 37 auf Werte eingestellt werden, welche den Schweißstromstärken I_p\ und l_pi entsprechen, so wird das Ausgangssigna! 47 nur gebildet wenn der Schweißstrom im Bereich zwischen l_p\ und /_P2 liegt und ansteigt Der Fehlerverstärker 54 gibt ein Ausgangssignal entsprechend der Differenz zwischen dem mittleren Wert des Schweißstroms und dem Ausgangssignal des veränderbaren Widerstandes oder Potentiometers 52 für die Einstellung des Mittelwertes des Schweißstromes ab. Wenn der Schweißstrom von dem vorbestimmten Wert sinkt, so nimmt das Potential t'"\ ' I* U D «1 »ηηΐπ
_Vlll/ WlIIW₁ IIVS1IV1I · V₆V

18 eingeschaltet. Bei dieser Ausführungsform wird der Transistor 18 wie in Fig. 12 gezeigt betätigt und die Periode von dessen Einschaltung wird variiert so daß der Fehler zwischen dem Wert des Potentiometers 52 und dem Schweißstrom herabgesetzt wird, wie deutlich in den F i g. 14 (ii) und (iii) dargestellt Es ist ersichtlich,

2> daß das Ausgangssignal 60 des UND-Gliedes 48 gleich dem Signal für die Betätigung des Transistors 17 gemäß Fig. 12 ist, da der Transistor 18 sich im EIN-Zustand befindet und das Ausgangssignal einen hohen Pegel hat wenn der Schweißstrom zunimmt Somit steuert die

jo Steuerschaltung 33, welche die Steuerbefehle empfängt den Transistor 17 gemäß F i g. 12.

Die Einrichtung gemäß den Fig. 10 und 11 kann somit durch Einsatz der Steuereinrichtung gemäß Fig. 13 derart modifiziert werden, daß man die Stromwellenform gemäß F i g. 12 erhält

Gemäß Fig. 15 kann man die Zuverlässigkeit des Gerätes erhöhen, wenn man einen veränderbaren Widerstand oder ein Potentiometer 36' hinzufügt sowie eine Vergleichsschaltung 38' und wenn man die

Ausgangsspannung des Potentiometers 36' auf einen Wert einstellt welcher höher ist als die Spannung des veränderbaren Widerstandes 36 (im Bereich des zulässigen Spitzenstromwertes). Der Vergleichssiromkreis 38' wird betätigt um einen Alarm auszulösen, oder um die Apparatur abzuschalten, wenn der Schweißstrom gemäß Fig. 12 durch Ausfall des Vergleiehsstromkreises38über I_p\ steigt

Somit kann man wie vorstehend beschrieben ein Lichtbogenschweißgerät schaffen, welches einen gerin-

gen inneren Verlust zeigt und eine genügend große Amplitude des Impulsstroms sowie eine hohe Zuverlässigkeit und welches sich ohne Einschränkung für verschiedenste Anwendungsfälle eignet

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerät für Betrieb mit hochfrequentem Impulsstrom mit einem ersten Schalter zwischen einem Pluspol einer Gleichrichterbrücke und der Schweißstelle des Schweißstromkreises, mit einem zweiten Schalter, mit einer Steuereinrichtung zur koordinierten Betätigung der beiden Schalter und mit einem Kondensator zur Aufnahme der in der Induktivität des Schweißstromkreises angesammelten Energie bei unterbrochenem Schweißstromkreis, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schalter (18) zwischen dem Minuspol der Gleichrichterbrücke (5) und der Schweißstelle (13, 14) angeordnet ist, daß der Kondensator (21) Plus- und Minuspol der Gieiclirichterbrücke (5) verbindet, daß zwei Gleichrichter (19, 20) derart geschaltet sind, daß der Kondensator (51) die Energie des Schweißstromkreises aufnimmt, wenn beide Schalter (17,18) sich im Aus-Zustand befinden, und daß die Steuereinrichtung (34) den ersten und zweiten Schalter (17, 18) während einer bestimmten Zeit eingeschaltet hält und dann zunächst den ersten und dann den zweiten Schalter ausschaltet.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (34) die beiden Schalter (17, 18) in Abhängigkeit vom Momentanwert des Schweißstromes schaltet

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ck>n ersten Schalter (17) innerhalb jeweils einer Impulses in Abhängigkeit von zwei Momentanwerten i-* Schweißstromes ein- und ausschaltet

4. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Transformator (25), dessen Primärwicklung mit einem Hochfrequenzgenerator (35) verbunden ist und dessen Sekundärwicklung im Schweißstromkreis liegt

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung eine Vielzahl von Abgriffen (27 bis 30) aufweist, die durch einen Kontakt (26) kurzschließbar sind.

6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüehe, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu jedem der beiden Schalter (17,18) ein Widerstand (22, 23) geschaltet ist