DE2834775A1

DE2834775A1 - Impulsstromquelle fuer das lichtbogen-mig-schweissen

Info

Publication number: DE2834775A1
Application number: DE19782834775
Authority: DE
Inventors: Martin Brack; Walter Kunz
Original assignee: Schweissindustrie Oerlikon Buehrle AG
Current assignee: Welding Industries Oerlikon AG
Priority date: 1977-09-19
Filing date: 1978-08-09
Publication date: 1979-03-29
Also published as: BE870331A; IN149586B; ZA785150B; DE2834775C2; NL7809163A; SE7808397L; AT367335B; DK411078A; AU3977078A; CH629134A5; GB2004672A; GB2004672B; FR2403595A1; ES473436A1; AU520457B2; FR2403595B1; FI782626A; IT7827860A0; PT68497A; NO783139L

Description

⁴ BE 18'672

Köln, den o.u. Reg.-Fr. one 704

Schweissindustrie Oerlikon Bührle AG, Zürich

(Schweiz)

Impulsstromquelle für das Lichtbogen-MIG-Schweissen

Die Erfindung betrifft eine MIG-Impulsstromquelle, die einen Stromkreis für die Erzeugung eines Grundstromanteils des Schweissstromes und ein Stromkreis für die Erzeugung eines Impulsstromanteils des Schweissstromes enthält.

Die bekannten Impulsstromquellen liefern einen Grundstromanteil und einen Impulsstromanteil für den Lichtbogen-Schweissstrom. Die Praxis zeigt jedoch, dass das MIG-Schweissen mit den bekannten Impulsstromquellen folgende Nachteile hat:

1) Das Bedienen der Impulsstromquelle ist sehr umständlich, da verschiedene und unbekannte Parameter durch die Bedienungsperson eingestellt werden müssen. Die Bedienungsperson stellt ein:

- die Pulsfrequenz mittels Schalter

- die Pulsbreite mittels Potentiometer

- die Grundspannung mittels Stufenschalter

- die Drahtvorschubgeschwindigkeit mittels Potentiometer

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Die Bedienungsperson kennt jedoch die optimale Kombination der folgenden Parameter im Allgemeinen nicht, wie

- Pulsfrequenz

- Pulsbreite

- Grundspannung

- Drahtvorschubgeschwindigkeit

Damit die richtige Kombination der Parameter an der Schweissmaschine trotz dieser Ungewissheiten eingestellt werden kann, wird in der Betriebsanleitung eine mehr oder weniger umfangreiche Einstelltabelle aufgeführt, welche die Bedienungsperson erst nach intensivem Studium und langem Probieren einigermassen beherrscht. Hinzu kommt noch, dass die in der Einstelltabelle gegebenen Einstelldaten nur Richtwerte sind, die bei bestimmten Randbedingungen, wie z.B. eine bestimmte Spannung des Stromversorgungsnetzes, ein — vorgegebenes Material der zu verschweissenden Teile sowie eine bestimmte Geometrie dieser Teile, ein vorgegebenes Schutzgas gelten. Dies zeigt die Schwierigkeiten zum richtigen Einstellen der Schweissparameter. Beim MIG-Impulsschweissen liegt das Verhältnis Impulsstrom zu Grundstrom, welches gute Schweisseigenschaften bewirkt, in einem sehr engen Bereich. Dies bedeutet, dass die Parameter bei jeder Schweissarbeit sehr genau eingestellt werden müssen. Diese genaue Einstellung ist jedoch mehr oder weniger Gefühlssache der Bedienungsperson, da die erwähnte Einstelltabelle lediglich Richtwerte bei bestimmten und idealisierten Randbedingungen darstellt.

2) Die bekannten Stromquellen sind abhängig von den Schwankungen im Stromversorgungsnetz, wie dies in dem US-Patent 3 588 465 (Air Reduction Comp-Inc. New York) erwähnt ist.

3) Wegen des komplizierten Aufbaus der bekannten Impulsstromquellen ist ihre Herstellung sehr kostspielig.

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4) Die bekannten Impulsstromquellen bringen öfters Schwierigkeiten beim Zünden des Lichtbogens, ■— Diese Schwierigkeit entsteht dadurch, dass beim Einschalten der Impulsstromquelle der Grundstromanteil ansteigt und sehr oft gleichzeitig ein Impuls des impulsförmigen Stromteils vorhanden ist, so dass die gesamte Stromspitze während des Zündvorganges extrem hoch ansteigt. Diese plötzlich frei werdende hohe Energie führt zu einer schlechten Schweissnaht oder zur Betriebsstörung, die durch Verschweissen der Drahtelektrode am Kontaktrohr der Schweisspistole entstehen.

Die Erfindung hat die Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Stromkreis ein Stellglied zum Beeinflussen des Grundstrom- und Impulsstromanteils des Schweissstromes vorgesehen ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die gesamte Schaltungsanordnung der Impulsstromquelle;

Fig. 2 die Schaltung des dem Grundstromkreis zugeordneten Reglers;

Fig. 3 die Schaltung des dem Impulsstromkreis zugeordneten Reglers;

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Schweissspannung und des Schweissstromes während der Zündung des Lichtbogens.

Die Impulsstromquelle der Fig. 1 wird durch Einschalten des Hauptschalters 1 eingeschaltet. Die Spannung, welche aus dem Stromversorgungsnetz beliefert wird, gelangt nun auf

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den nachgeordneten Leistungstransformator 2. Dieser Leistungstransformator ist in Wirklichkeit 3-phasig konstruiert. Zur besseren Illustration ist die gesamte Schaltungsanordnung der Impulsstromquelle der Fig. 1 einphasig gezeichnet. Der Leistungstransformator 2 ist die Stromquelle für den aus dem Stellglied 3 und der Induktivität 4 bestehenden Stromkreis für den Grundstrom. Der Leistungstransformator speist ferner den mit dem Stellglied 5 versehenen Impulsstromkreis. Die beiden Stromkreise gelangen parallel zur gemeinsamen Induktivität 6. Am Ausgang der Induktivität 6 liegt ein Schweissstrom, der aus dem Grundstromanteil und Impulsstromanteil besteht. Dieser Schweissstrom gelangt in eine Steckeinheit des Drahtvorschubgerätes 7. Wie bekannt, befindet sich in diesem Drahtvorschubgerät 7 die Draht-Elektrode, welche auf einer grossen Rolle in einer Länge von ca. 100 m aufgerollt ist. Die Drahtelektrode wird durch einen Fördermechanismus, der in dem Drahtvorschubgerät 7 angeordnet ist, in Richtung Schweisspistole 8 und weiter zur Schweissstelle transportiert. Der Schweissstrom wird vom Drahtvorschubgerät 7 zum Handgriff der Schweisspistole 8 gegeben. Die Leitungen für das für den Schweissvorgang notwendige Schutzgas sowie für die Kühlung sind in der Fig. 1 nicht eingezeichnet.

Gemäss Fig. 1 wird das Stellglied 3 für den Grundstromkreis durch einen Regler 200 angesteuert. Das Stellglied 5, welches im Impulsstromkreis angeordnet ist, wird durch den Regler angesteuert.

Die Wirkungsweise der Schaltung der Fig. 1 wird nun beschrieben. Nach Schliessen des 3-phasigen Hauptschalters 1, der z.B, ein mechanischer Schalter sein kann, gelangt die Spannung aus dem Stromversorgungsnetz auf den Leistungstransformator 2, welcher diese Spannung auf den gewünschten Wert heruntertransformiert. Der Leistungstransformator besitzt auf seiner

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sekundären Seite eine 3-phasige Leistungswicklung für die Versorgung des Grundstromkreises, eine 1-phasige Leistungswicklung für die Versorgung des Impulsstromkreises und einige andere Wicklungen für Steuerspannungen zu den einzelnen Elementen. Das Stellglied 3 muss elektronisch gesteuert werden können und für den Strom gleichrichtende Wirkung haben. Im vorliegenden Ausführungsbexspiel wurde das Stellglied mit einer halbgesteuerten Drehstrombrücke realisiert. Eine solche Drehstrombrücke besteht bekanntlich aus drei Dioden und drei Thyristoren. Der Regler 200 steuert über seine Leitungen 201 die Steuerelektroden der Thyristoren an, so dass durch Phasen-Anschnittsteuerung der am Ausgang des Stellglieds 3 erscheinende Grundstromanteil die vorgegebene und gewünschte Amplitude aufweist. Dies erfolgt dadurch, dass zwischen den beiden Ausgangsleitungen des Stellglieds 3 die Schweissspannung abgegriffen und als IST-Wert über die Leitungen 202 in den Regler 200 gegeben wird. In dem Regler 200 wird ein vorgegebener SOLL-Wert mit diesem IST-Wert verglichen. Entsprechend dieses Vergleichs werden über die Leitungen 201, von denen der Einfachheit halber nur eine in der Fig. 1 dargestellt ist, die Steuerelektroden der Thyristoren im Stellglied 3 angesteuert. Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass im Eingang des Stellglieds 3 ein 3-phasiger Wechselstrom und im Ausgang ein Gleichstrom fHessen muss. Der Gleichstrom gelangt nun in die Induktivität 4, welche zur Verbesserung der Schweisseigenschaften vorgesehen ist. Bevor die weitere Wirkungsweise diskutiert wird, wird nun der Impulsstromkreis besprochen. Vom Leistungstransformator 2 gelangt eine 1-phasige Leitung auf das Stellglied 5, welches im Impulsstromkreis angeordnet ist. Das Stellglied 5 kann als halbgesteuerte Einphasen-Brücke mit zwei Dioden und zwei Thyristoren ausgebildet sein oder nur mit einem einzigen Thyristor bestückt sein. Die am Ausgang des Stellglieds 5 liegenden Impulse sind netzsynchron, d.h., sie haben die gleiche Frequenz wie

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das Stromversorgungsnetz bei Einweggleichrichtung. Bei Zweiweggleichrichtung haben die Impulse die doppelte Frequenz wie das Stromversorgungsnetz. Es besteht auch die Möglichkeit, die Impulsfrequenz bei beiden Gleichrichterverfahren durch Unterdrückung entsprechender Halbwellen zu reduzieren. Dies wird durch den Regler 300 über die Leitungen 301 gesteuert. Ueber die Leitungen 302 erhält der Regler 300 netzspannungsproportionales Führungssignal. Der Regler 300 wird im Zusammenhang mit der Fig. 3 noch näher diskutiert. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 gelangen die Impulse aus dem Stellglied in Parallelschaltung zu dem Grundstrom aus der Induktivität auf die weitere Induktivität 6. Beide Induktivitäten dienen zur einwandfreien Kommutierung zwischen Grund- und Pulsstrom. Der Schweissstrom, der nun aus einem geregelten Grundstromkreis und aus einem geregelten Impulsstromkreis entnommen wird, wird weitergeführt auf entsprechende Steckanschlüsse des Drahtvorschubgerätes 7 und auf die Schweisspistole 8. Das Drahtvorschubgerät 7 wird von einem Regler 9 in seiner Vorschubgeschwindigkeit geregelt. Diese Regelung erfolgt in der Weise, dass eine der Vorschubgeschwindigkeit proportionale Spannung über die Leitungen 92 in den Regler gegeben wird. Die Bedienungsperson stellt den SOLL-Wert am Regler 9 so ein, dass die Kombination der Schweissparameter optimal ist. Der Vergleich zwischen den beiden Werten aus den Leitungen 92 und dem eigestellten SOLL-Wert ergibt ein Steuersignal, welches über die Leitung 91 auf das Drahtvorschubgerät 7 gegeben wird. Die Vorschubgeschwindigkeit wird entsprechend diesem Steuersignal eingehalten. Die drei Regler 9, 200 und 300 können miteinander so zusammenarbeiten, dass bei einem vorgegebenen und gewünschten Schweissparameter die beiden anderen Schweissparameter gesteuert werden. Die Schweissparameter sind Spannung, Strom und Vorschubgeschwindigkeit. Dies ist besonders vorteilhaft beim automatischen Schweissen oder beim überwachten Schweissen. Diese gesamte Schweissstromquelle

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ist infolge der drei Regler fernbedienbar, was vorteilhaft ist, wenn die eigentliche Schweissstelle in einer gewissen Entfernung zur Maschine vorgesehen ist.

Die Fig. 2 zeigt die Schaltungsanordnung des Reglers 200, der im Grundstromkreis der Fig. 1 angeordnet ist. Beim Handschweissen stellt die Bedienungsperson den SOLL-Wert der gewünschten Schweissspannung am Sollwertgeber 203 ein. Diese Handeingabe kann auch ersetzt werden durch eine automatische Eingabe. Dies ist beim automatischen Schweissen der Fall. Die Leitungen 202 greifen an den beiden Ausgangsleitungen des Stellglieds 3 den IST-Wert der Schweissspannung ab. Der Integrator 204 bildet mittels einer bestimmten Zeitkonstanten den linearen Mittelwert der pulsierenden Schweissspannung. Dieser lineare Mittelwert wird als IST-Wert auf die Vergleichsstelle 205 gegeben. Die Differenz zwischen dem SOLL-Wert und dem IST-Wert gelangt auf den PI-Regler 206. Die beiden Bauelemente 205 und 206 werden auch als summierender Verstärker mit PI-Charakteristik bezeichnet. Entsprechend dem Ausgangssignal aus dem PI-Regler 206 werden in der Steuerschaltung die für das Stellglied 3 notwendigen Steuerimpulse gebildet. Diese Steuersignale für die im Stellglied 3 angeordneten Thyristoren erscheinen auf den Leitungen 201. Entsprechend diesem Steuersignal werden die Thyristoren mit einem Phasen-Anschnittswinkel eingeschaltet. Wenn im gleichrichtenden Stellglied 3 andere Bauteile anstelle der Thyristoren vorgesehen sind, so muss die Steuerschaltung 207 für die Bildung der dafür notwendigen Steuersignale ausgebildet sein. Der IST-Wert des Reglers 200 für das Stellglied 3 im Grundstromkreis gemäss den Figuren 1 und 2 ist die Schweissspannung, bestehend aus einem Grund- und einem Impulsspannungsanteil. Dies hat den Vorteil, dass die gesamte Stromquelle spannungsgeregelt ist. Diese Schaltung ermöglicht es, die störenden Netzspannungsschwankungen zu eliminieren.

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Der Regler 300, welcher das Stellglied 5 im Impulsstromkreis regelt, wird anhand der Fig. 3 näher beschrieben. Der eigentliche Regelkreis besteht aus dem Sollwertgeber 304, der Vergleichsstelle 305, dem Regler 306, der Zündimpulsschaltung 307, der Regelstrecke 303, der IST-Werterfassung 308 und dem Integrator 309. Zusätzlich wirkt über die Vergleichsstelle die Störgrössenaufschaltung, bestehend aus der Störgrössenaufbereitung 311, der Störgrössenerfassung 312 und dem Integrator 313 auf den Regelkreis. Die Störgrössenaufbereitung und die Regelstrecke 303 werden von der über Leitung 302 zugeführten Spannung gespiesen. Die Spannung an dieser Wicklung ist synchron mit der Spannung an der Sekundärwicklung des Leistungstransformators 2, welche Spannung das Stellglied 5 speist, und proportional der Netzspannung. Während die an der Sekundärwicklung zur Speisung des Stellgliedes 5 liegende Spannung lastabhängig ist (infolge Schweissvorgang), ist die an der andern Wicklung und somit an Leitung 3 02 liegende Spannung im wesentlichen lastunabhängig. Die Regelstrecke 303 ist eine Nachbildung des Stellgliedes 5. Beim Zündvorgang wird das Stellglied 5 um die Zeit t_s verzögert durch das Relais 314 zugeschaltet. Mit dieser Schaltungsanordnung wird erreicht, dass das Stellglied 5 keinem Einschwingvorgang des Reglers 300 unterworfen ist. Der Zündvorgang wird im Zusammenhang mit der Fig. 4 noch näher diskutiert. Im Sollwertgeber 304 wird der SOLL-Wert für den notwendigen Phasenanschnittwinkel, welcher mit Hilfe des Stellglieds 5 erzeugt werden soll, eingegeben. Dieser SOLL-Wert ist abhängig von Material und Durchmesser der zu verschweissenden Drahtelektrode und mu-s von der Bedienungsperson eingegeben werden. Durch die anhand der Fig. 3 beschriebenen Anordnung wird - wie in Fig. 1 ersichtlich - über das Stellglied 5, Induktivität 6, Drahtvorschubgerät 7 und Schweisspistole 8 der Schweissstelle, unabhängig von Netzspannungsschwankungen, die notwendige Pulsleistung zugeführt.

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Die Fig. 4 zeigt den Spannungsverlauf Us und den Stromverlauf Is während des Zündvorganges des Lichtbogens. Aus dieser Figur geht hervor, dass infolge der besonderen Anordnung der Stellglieder 3 und 5 im Grund- und Impulsstromkreis in Zusammenarbeit mit den beiden Reglern 200 und 3 00 während des Zündvorgangs des Lichtbogens zwischen der Drahtelektrode (Schweisspistole 8) und dem zu verschweissenden Gut der Impulsstrom erst nach einer gewissen Zeitverzögerung ts dem Grundstromanteil zugeschaltet wird. Die Zuschaltung des Impulsstromes 400 zum Grundstrom 401 erfolgt nach der Zeitverzögerung ts. Bei der Schweissspannung Us liegen die gleichen Verhältnisse vor wie beim Schweissstrom. Auch dort wird der impulsförmige Spannungsanteil 402 nach der Zeitverzögerung ts dem Grundspannungsanteil 4 03 zugeschaltet. Der Vorteil dieses Vorganges liegt auf der Hand, da bei gleichzeitigem Zuschalten von Grundstromkreis und Impulsstromkreis der extrem hohe Energiestoss eine einwandfreie Zündung des Lichtbogens verhindert. Der Zündvorgang müsste in diesem Falle mehrmals wiederholt werden, was bei der erfindungsgemässen Vorrichtung nicht der Fall ist.

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Claims

Köln, den 3.8.1973 pa Reg.-Mr. She 704 Amp -: Schweissiridustrie Oeriikon Bühr,!, ■PATENTANSPRUECHE

1.JMIG-Impulsstromquelle, die einen Stromkreis für die Erzeu- —^ gung eines Gründstromanteils des Schweissstromes und einen Stromkreis für die Erzeugung eines Impulsstromanteils des Schweissstromes enthält, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Stromkreis ein Stellglied (3, 5) zum Beeinflussen des Grundstrom- und Impulsstromanteils des Schweissstromes (Is) vorgesehen ist.

2. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (3), welches im Stromkreis für die Erzeugung des Grundstromanteils des Schweissstromes (Is) angeordnet ist, steuerbare Thyristoren und nicht steuerbare Dioden enthält.

3. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (3), welches im Stromkreis für die Erzeugung des Grundstromanteils des Schweissstromes angeordnet ist, einen nicht steuerbaren Gleichrichter mit nachgeschalteten Transistoren enthält.

4. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (3), welches im Stromkreis für die Erzeugung des Grundstromanteils des Schweissstromes angeordnet ist, einen Transduktor und einen Gleichrichter enthält.

5. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (5), welches im Stromkreis für die Erzeugung des Impulsstromanteils des Schweissstromes (Is) angeordnet ist, einen steuerbaren Thyristor enthält.

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ORIGINAL INSPECTED

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6. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (5), welches im Stromkreis für die Erzeugung des Impulsstromanteils des Schweissstromes (Is) angeordnet ist, steuerbare Thyristoren und nicht steuerbare Dioden enthält.

7. Stromquelle nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (200), der das Stellglied (3) im Grundstromkreis regelt, aus einer Vergleichsstelle (205) , einem PI-Regler (206) und einer Steuerschaltung (207) zur Steuerung der Elemente im Stellglied (3) enthält, wobei der vom Ausgang abgegriffene und in einem Integrator (204) als Mittelwert ausgebildete IST-Wert in der Vergleichsstelle (205) vom im Sollwertgeber (203) erzeugten SOLL-Wert subtrahiert wird.

8. Stromquelle nach einem der Ansprüche 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (300), der das Stellglied (5) im Stromkreis für den Impulsstromanteil regelt, einen Regelkreis (304, 305, 307, 303, 308, 309) und eine Störgrösscnaufschaltung (311, 312, 313) enthält, wobei der Regelkreis und die Störgrössenaufschaltung von einer netzspannungsproportionalen, lastunabhängigen Führungsgrösse gesteuert werden.

9. Stromquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (300) eine Regelstrecke (303) enthält, welche funktionsmässig eine Abbildung des Stellgliedes (5) ist und von einer netzproportionalen, lastunabhängigen Führungsgrösse gesteuert wird.

10. Stromquelle nach Ansprüche 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (300) eine Zündimpulsschaltung (307) enthält, welche die Zündimpulse für das Stellglied (5) und die Regel-

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strecke (303) liefert, so dass diese beiden Elemente mit dem gleichen Phasenanschnittwinkel angesteuert werden.

11. Stromquelle nach Ansprüche 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (300) eine Vergleichsstelle (305) enthält, welche den durch die lastunabhängige Spannung in den Bauteilen (303, 308, 309) erzeugten IST-Wert vom im Sollwertgeber (304) eingegebenen SOLL-Wert der Impulsbreite subtrahiert, wobei das in der Störgrössenaufschaltung (311, 312, 313) erzeugte netzproportionale SOLL-Wert-Signal in der Vergleichsstelle (305) zur Korrektur des in der Eingabe (304) vorgegebenen SOLL-Wertes für die Impulsbreite benutzt wird.

12. Stromquelle nach Ansprüche 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aktivierung des Stellgliedes (5) das in der Zündimpulsschaltung (307) erzeugte Signal über das Relais (314) dem Stellglied (5) zugeführt wird.

13. Stromquelle.nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zündvorgang des Lichtbogens der Impulsstromanteil (4 00) dem Grundstromanteil (401) erst nach einer gewissen Zeitverzögerung ts zugeschaltet wird indem das Stellglied (5) über das Relais (314) im Regler (300) aktiviert wird.

14. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zündvorgang des Lichtbogens der Impulsspannungsantexl (402) dem Grundspannungsanteil (401) erst nach einer gewissen Zeitverzögerung ts zugeschaltet wird indem das Stellglied (5) über das Relais (314) im Regler (300) aktiviert wird.

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