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Vorrichtung zum Schweißen metallischer Werkstücke
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mit längs der Schweißnaht magnetisch bewegten Lichtbogen Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Schweißen metallischer Werkstücke
mit einem auf Grund eines längs der Schweißkantennahtbahn wirkenden externen Magnetfeldes
bewegten Lichtbogen.
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Das Schweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen ist ein Verfahren,
auf dessen Basis bereits erste vollautomatische
Maschinen arbeiten
und ihre Bewährungsprobe bestanden haben. Es stellt eine sinnvolle Ergänzung des
Abbrenn-, Stumpf-, Rollennaht-, Wig-, Mig-, Mag- und Reibstumpfschweißens dar und
wird meist zum Schweißen von Rohren oder Werkstücken mit rohrförmigem Ansatz verwendet.
Diese Teile müssen jedoch nicht drehsymmetrisch sein.
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Das Ziel einer optiralen Investition, minimaler Aufwand bei größtem
wirtschaftlichen Nutzen., kann nur erreicht werden, wenn das neue Verfahren eingebettet
in die anderen oben erwähnten Techniken gesehen wird.
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Die Vorteile sind eindeutig. Sie sind sowohl wirtschaftlicher als
auch schweißtechnischer Natur und stellen eine Synthese der bisher bekannten Vorteile
des Widerstand-Lichtbogen- und Reibschweißens dar.
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Die zwei grundsätzlich möglichen Anordnungen beim Schweißen mit magnetisch
bewegtem Lichtbogen sind: a) Das Schweißen mit einem sich bewegenden Lichtbocjen
zwischen den zu verbindenden Werkstücken.
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h) Das Schweißen mit einen zwischen einer nicht ahschmelzenden Hilfselektrode
und den Werkstücken sich bewegenden Lichtbogen.
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Die physikalischen Grundlagen fär des Wandern bzw. Rotieren des Lichtbogens
um die Stirnfläche der Werkstücke finden sich in den elektrotechnischen Grundgesetzen.
ltiernach wird jeder Stromfluß von einem Magnetfeld begleitet, wobei aus Gründen
der Symmetrie diese magnetischen Feldlinien bei eine. Rundleiter konzentrische reise
bilden.
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Im Falle des Stromflusses in einem Lichtbogen kann dieser näberungsweise
ebenfalls als Rundleiter betrachtet werden.
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Befindet er sich in einem zusätzlichen Magnetfeld, so iiberlagern
sich dessen Feldlinien nit denen des Lichtbogens.
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Da einerseite die magnetischen Feldlinien aus energetischen Gründen
stets das Bestreben haben sich zu verkürzen und andererseits das zusätzliche Magnetfeld
vektoriell fest- liegt, wirkt auf den Lichtbogen eine magnetische Kraft. Die Richtung
dieser Kraft ist mittels der sogenannten Dreifingerregel der linken Hand auffindbar.
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Zur rrzeuflung eines stationären Magnetfeldes ist es aus der deutschen
Patentschrift 23 21 070 bekannt, eine Mehrzahl gleichpoliger Einzelmagnete in der
Schweißobene auzuordnen.
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Iis dieser Patentschrift ist es auch bereits bekannt, das Magnetfeld
der einzelnen Magnete in einem die geschlossene Schweißkantennahtbahn umgebenden
magnetisierbaren Ring zu vereinigen, so daß ein annähernd homogenes Magnetfeld längs
der ganzen Schweißkantennahtbahn gewährleistet ist.
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In (.er Patentanmeldung P 28 05 562 ist - auf der Grundprinzip der
DB? 23 21 070 aufbauend - als Variante vorgeschlagen, für metallische Hohlkörper
die das Magnetfeld erzeugende Magnetspule im Innenraum dieses Hohlkörpers anzuordnen.
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In der Praxis hat es sich nun gezeigt, daß die Frequenz der durch
das statische Magnetfeld erzwungenen LichtbocJenumläufe während eines Schweißarbeitsgangs
variiert. Dies resultiert daraus, daß anfangs das zu schweißende 7erkstück noch
kalt ist und somit die Umlaufgeschwindigkeit des Lichtbogens für eine einwandfreie
Schweißung zu langsa, ist - es entstehen Einbrände. Andererseits ist die Umlaufgeschwindigkeit
gegen Ende eines Schweißarbeitsgangs zu groß. Dies resultiert daraus, daß die Schweißkante
sehr heiß und bereits "verschweißt" ist und kann dazu führen, daß auf Grund der
auf den Lichtbogen wirkenden Zentrifugalkraft Material vom Werkstück abgerissen
und weggeschlendert wird. Diese Verhältnisse sind schematisch in Fig. 1 dargestellt.
Bis zum Zeitpunkt t1 ist die Lichtbogen-Umlaufgeschwindigkeit zu gering und ab e.ls
der Zeitpunkt t2 zu hoch.
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Eine einwandfreie Schweißung ist nur innerhalb eines um eine mittlere
(Ideal-) Geschwindigkeit vm liegenden Spektrums gewährleistet.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestoht darin,
eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß stets die zumindest
annähernd optimale Lichtbogen-Umlaufgeschwindigkeit eingchalten wird.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Mittel vortlesehen sind, über
die das Magnetfeld und (lalit die Umlaufgeschwindigkeit des Lichtbogens regelbar
ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 2 näher erläutert,
die in Fig. 2 a einen Querschnitt und in Fig, 2 b eine Draufsicht der in Unteranspruch
definierten erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt.
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r)ie eigentliche Schweißvorrichtung besteht aus zwei sich in Ebene
A-A (Fig. 2a) gegenüberliegenden Magneten 1, deren Pole 2 jeweils halbkreisförmig
so ausgebildet sind, daß, abgeschen von einer geringen Luftspalt, ein Kreisquerschnitt
zwischen den Palen 2 freibleibt. In diesem Kreisquerschnitt und zwar mittig zur
Magnetpolfläche liegen sich die zu verschweißenden Rohrenden 3,4 mit einem vorgegebenen
Abstand gegenüber. Die beiden Magnete rit ihren Polschuhen und die beiden Rohrenden
befinden sich während des Schweißvorgangs im entsprechenden Spann- und Aufnchmermitteln
einer Schweißmaschine, so daß hinsichtlich der Zuofltnung von Werkstück und Magnetfeld
stationäre Verhältnisse vorliegen.
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Der vollständigkeit halber seien noch die elektrischen Anschlußleitungen
5, 6 für den Magnetisierungsstrom I der Magnete 1,2 erwähnt, die sclbstverständlich
relativ zueinander so gewickelt sind, daß am Tireisring bzw. an den Rohrenden die
gleiche magnetische Polarität anliegt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Schweißvorrichtung der genannten
Art um ein Aggregat ergänzt, mit dem zwecks regelung der Lichtbogen-Umlaufgeschwindigkeit
diese gemessen und in Steuersignale zur Veränderung der Magnetisierung an der Schweißkantennahtbahn
umgesetzt wird.
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Dieses Zusatzaggregat besteht zuntchst aus einer Sensoreinrichtung
7, die beispielsweise induktiv nach Art eines Tonkopfes für Magnetbandgeräte, optisch
auf der Grundlage der Lichtschranken funktion oder auch akustisch arbeitet.
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Aus des gemessenen Umlauffrequenz des Lichtbogens kann dessen Umlaufgeschwindigkeit
ermittelt werden. Die Meßgröße bzw. eine davon abgeleitete IST-Größe wird sodann
in einem Komparater 8 mit einer äber ein Normalelement 9 extern angelegten SOLL-Größe
verglichen. Je nach dem trgebnis dieses Vergleichs wird ein Steuersicjnal generiert,
welches in einem Verstärker 10 verstärkt wird und jeweils aufweist eine solche Polaritä#,
daß die Abweichung zwischen SOLL-und IST-Wert verringert bzw. im Idealfall auf Null
gebracht wird.
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Genauso wie verschiedene Methoden und Arten der IST-Größenriessung
anwendbar sind - diesbezüglich sind auch noch andere als die genannten denkbar -,
so sind auch verschiedene Arten der Iiragnetfeldheeinfluosunci denkbar. Beispielsweise
läßt sich die Magnetisierungsänderung über eine - und die se Variante ist in Fig.
2 b dargestellt - Stromregelung auf der Basis einer Widerstandsänderung in der Anschlußleitung
6 erreichen.
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Auch ist es denkbar, die Wicklung der Magnete so auszuführen, daß
durch Zu- und Wegschalten von Wicklungen der gewänschte Regeleffekt erreichbar ist.
Eine weitere Variante betrifft die Möglichkeit der Magnetfeldbeeinflussung über
eine gesteuerte Luftspaltveränderung zwischen den Magnetpolen.
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Bei allem darf selbstverständlich eine Grundvoraussetzung nicht vergessen
werden, und dies gilt fiir jeoen Regelprozeß per se. Der Arbeitsbereich auf der
Magnetisierungskurve muß annähernd linear verlaufen, um bei einer Stromänderung
eine Änderung des magnetischen Feldes zu erhalten.
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Mit der vorstchend beschriebenen Maßnahme wurden erste Erfahrungen
mit den auf dem Markt befindlichen Anlage in der Weise umgesetzt, daß aufgetretene
Mängel auf Grund erfinderischer Verbesserungen der vorhandenen Konzeptionen in Zukunft
vermieden werden.