DE3108917C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Apparatur zur berührungsfreien Hochfrequenz-Lichtbogenerzeugung mit einer Elektrode, die einem elektrisch leitfähigen Material, das durch eine elektrische Lichtbogenentladungsstrecke bearbeitet werden soll, gegenübersteht, einer Hauptenergiequelle zum Zuführen des Lichtbogenentladungsstroms zwischen der Elektrode und dem Material, einem elektrischen Leiter zum Verbinden der Hauptenergiequelle mit der Elektrode und einer elektrischen Hochfrequenzquelle, die eine Hochfrequenz-Hochspannung zwischen die Elektrode und das Werkstück führt, um für die Lichtbogenzündung in der Lichtbogenstrecke eine Hochfrequenzentladung hervorzurufen, mit wenigstens einer in einem Abschnitt der elektrischen Zuleitung der Hauptenergiequelle angeordneten Hochfrequenz-Drossel und einem Hochfrequenz-Ableitkondensator, der mit einem Kondensatorbelag an die elektrische Zuleitung im Bereich zwischen der Hochfrequenz-Drossel und der Hauptenergiequelle angeschlossen ist.

Bei einer herkömmlichen MIG-Schweißmaschine wird der Lichtbogen so erzeugt, daß die Drahtelektrode mit dem Basismaterial kurzzeitig in Berührung gebracht wird, damit ein Kurzschlußstrom fließen kann, der dann die Drahtelektrode erhitzt und schmilzt. Das geschmolzene Metall wird in Form von kleinen Teilchen versprüht. Diese umhersprühenden Metallpartikel setzen sich an der Oberfläche des Basismaterials fest. Wenn dies auftritt, müssen die geschmolzenen Metallpartikel von der Oberfläche des Basismaterials wieder entfernt werden, was sich für die Wirksamkeit des Schweißvorganges als Nachteil herausstellt.

Diese Schwierigkeit läßt sich dadurch umgehen, daß als MIG-Schweißmaschine eine Einrichtung verwendet wird, bei der der Lichtbogen berührungslos erzeugt wird, indem eine elektrische Hochfrequenzquelle, wie sie in einer TIG-Schweißmaschine eingesetzt wird, Verwendung findet.

Die Arbeitsweise eine derart modifizierten MIG-Schweißmaschine gemäß Fig. 1 ist folgende. Um einen Lichtbogen hervorzurufen, wird die elektrische Hochfrequenzquelle 5 eingeschaltet, so daß die Hochfrequenzausgangsspannung der elektrischen Hochfrequenzquelle 5 zwischen der Elektrode 8a und dem Basismaterial oder Werkstück 1 eine Hochfrequenzentladung hervorruft. Wenn dann die Hochfrequenzentladung auftritt, wird von der Schweißenergiequelle 3 Strom zugeführt, so daß der Hauptlichtbogen 10 auftritt. Die Drahtzuführvorrichtung 9 führt von der Vorratsrolle 7 Draht 8 zu. Die Elektrode 8a wird durch den Lichtbogen 10 geschmolzen, so daß das Werkstück 1 entlang einer Schweißlinie mit den aus der Elektrode 8 abgegebenen geschmolzenen Metalltröpfchen 8b geschweißt wird.

Wie beschrieben, kann eine in einer TIG-Schweißmaschine übliche kontaktlose Lichtbogen-Erzeugungseinrichtung mit Hochfrequenzquelle bei einer MIG-Schweißmaschine verwendet werden. Da die Hochfrequenzspannung jedoch unmittelbar auf den Schweißdraht 8 geführt wird, ist es erforderlich, die Drahtzuführvorrichtung 9 und die Vorratsrolle 7 elektrisch zu isolieren, und zwar eine Hochfrequenzisolation für diese Baugruppe vorzusehen, die der hochfrequenten Hochspannung standhält.

Eine Apparatur der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 26 06 854 A1 bekannt.

In einer derartigen Apparatur enthält eine Schaltungsanordnung zum Zünden eines Lichtbogens für das elektrische Lichtbogenschweißen eine Hauptelektrode, die von einer Düse umgeben ist, wobei durch diese Düse ein Schutzgas in Richtung auf das gegenüberliegende Werkstück strömt. Die genannte Düse ist an eine Hochfrequenzquelle angeschlossen. Darüber hinaus ist zwischen Werkstück und Elektrode eine weitere Hochfrequenzquelle angeordnet. Um zu verhindern, daß die Hochfrequenz zur Gleichrichterschaltung der Gleichstromversorgungsquelle gelangen kann, ist in der Zuleitung zwischen der Gleichstromversorgungsquelle und der Hauptelektrode eine Drossel angeordnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Apparatur zur berührungsfreien Hochfrequenz-Lichtbogenerzeugung mit einer Elektrode der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher der Einsatz einer speziellen Hochfrequenzisolationsbehandlung nicht mehr nötig ist und die Hochfrequenzisolation durch einen Mechanismus bewirkt wird, der einen besonders einfachen Aufbau und niedrige Herstellungskosten hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

• a) die wenigstens eine Hochfrequenz-Drossel aus einem Stapel von magnetischen und elektrisch gegeneinander isolierten Scheiben mit Mittelbohrung besteht, die zu einem Zylinder zusammengesetzt sind, und
• b) der Außendurchmesser der Scheiben der Hochfrequenz-Drossel wenigstens das 1,2fache ihres Innendurchmessers beträgt und die Scheibendicke höchstens 10 mm beträgt.

Die Erfindung weist folgende Vorteile auf:

Es wird eine Schweißapparatur mit einer kontaktlosen Lichtbogen-Erzeugungsvorrichtung mit Hochfrequenz geschaffen, bei der der Einsatz einer speziellen Hochfrequenzisolationsbehandlung nicht nötig ist und die Hochfrequenzisolation durch einen Mechanismus bewirkt wird, der einen einfachen Aufbau und niedrige Herstellungskosten hat.

Die Hochfrequenzisolation fügt sich sehr einfach ein und die Größe der Apparatur bleibt dabei klein.

Ferner wird erreicht, daß bei der Schweißvorrichtung, bei der der Lichtbogen berührungslos mit Hochfrequenz hervorgerufen wird und eine wirksame Hochfrequenzisolierung besteht, eine große Lichtbogen-Entladungsstrecke möglich ist. Die Drahtzuführvorrichtung ist dabei gegenüber der Hochfrequenzspannung abgeschirmt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen näher erläutert, wobei gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 ein Erläuterungsdiagramm einer MIG-Schweißmaschine mit einer den Lichtbogen hervorrufenden Hochfrequenzquelle, wie sie üblicherweise in einer TIG-Schweißmaschine eingesetzt wird;

Fig. 2 das Übersichtsbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung im Übersichtsbild;

Fig. 4 die perspektivische Darstellung eines Hochfrequenz-Magnetelementes, das den wesentlichen Teil der Schweißvorrichtung nach der Erfindung darstellt; und

Fig. 5 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Widerstandsfähigkeit von der Dicke des Hochfrequenz-Magnetelementes darstellt.

Das in Fig. 2 gezeigte erste Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Verbindung mit der MIG-Schweißmaschine wiedergegeben. Diejenigen Bauteile, die bereits bei der Beschreibung der Maschine in Fig. 1 bezeichnet wurden, haben die bereits dort verwendeten Bezugszeichen, so daß an dieser Stelle von einer Wiederholung der Beschreibung abgesehen wird.

In der Fig. 2 weist die Schweißenergiequelle 3 eine Hauptenergiequelle 31 zur Zuführung des Schweißstromes und eine Hilfsenergiequelle 32 zur Zuführung einer Spannung auf, die höher als die der Hauptenergiequelle 31 ist, um einen Lichtbogen aufrechtzuerhalten. Die Hauptenergiequelle 31 ist über ein Kabel 4b mit dem zu schweißenden Werkstück 1 verbunden, und steht über ein Kabel 4a mit der Elektrode 8a in Verbindung, die dem Werkstück 1 unter Einhaltung des Lichtbogenabstandes gegenübersteht. Die Hilfsenergiequelle 32 ist über einen Strombegrenzungswiderstand 33 und eine Leitung 4c mit dem Brenner 2 verbunden, und steht mit der elektrischen Hochfrequenzquelle 5 über eine Koppelspule 41, die in den Verlauf der Leitung 4c eingefügt ist, in Verbindung. Ein Hochfrequenz-Magnetelement in Form eines Zylinders, der aus einem Hochfrequenz-Magnetmaterial hergestellt ist (nachfolgend aus Drossel 11 bezeichnet), weist eine Durchgangsbohrung 12 auf, durch die die Leitung 4a und der Schweißdraht 8 hindurchgeführt sind. Die Drossel 11 stellt eine Hochfrequenzdrossel dar. Mit 12 ist in der Fig. 2 eine Hochfrequenz-Abschirmung bezeichnet; 6a stellt einen Hochfrequenz-Ableitkondensator zwischen Erde und der Stromführungsleitung 4a im Bereich zwischen der Drossel 11 und der Hauptenergiequelle 31 dar; ein Hochfrequenz-Ableitkondensator 6b Verbindung den Schweißdraht 8 mit Erde im Bereich zwischen der Drossel 11 und der Schweißdraht-Zuführung 9.

Wenn die Hochfrequenzquelle 5 in der in dieser Weise aufgebauten Schweißmaschine in Betrieb ist, erfolgt zwischen der Elektrode 8a und dem Werkstück 1 eine Hochfrequenzentladung. Daraus folgt, daß zunächst durch die Hilfsenergiequelle ein erster Lichtbogen erzeugt wird, woraufhin der Schweißstrom von der Hauptenergiequelle 31 zugeführt wird, der dann den Schweißlichtbogen 11 für den eigentlichen Schweißvorgang unterhält. Es ist vorteilhaft, die Hilfsenergiequelle 32 vorzusehen, da es dadurch möglich wird, die Lichtbogenstrecke für den Schweißlichtbogen 10 größer zu machen und den Schweißlichtbogen 10 stabil zu halten.

Andererseits wird durch die Wirkung der Drossel 11 und die Ableitkondensatoren 6a und 6b der Einfluß der hochfrequenten Hochspannung, die über den Brenner 2 zugeführt wird, über die Stromzuführungsleitung 4a und den Schweißdraht 8 auf die Hauptenergiequelle 31 und die Schweißdrahtzuführung 9 erheblich vermindert. Es ist deshalb nicht mehr erforderlich, eine spezielle Hochfrequenz-Isolationsbehandlung dieser Bauteile vorzunehmen.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ebenfalls an einer MIG-Schweißmaschine eingesetzt ist. Die Kennzeichnung mit den Bezugszahlen stimmt mit derjenigen in der Fig. 2 überein, soweit nicht Abweichungen im Aufbau vorhanden sind.

Aus dem Vergleich der Fig. 3 und 2 wird deutlich, daß folgende Veränderungen in der Schweißmaschine nach Fig. 3 vorgenommen worden sind. Die Hilfsenergiequelle 32 ist weggelassen, während die Hauptenergiequelle 31 zur Zuführung des Schweißstroms weiterhin benutzt wird. Die Hochfrequenz- Hochspannung wird unmittelbar dem Brenner 2 von einer elektrischen Hochfrequenzquelle 5 zugeleitet. Außerdem sind nunmehr zwei Drosseln 11 und 11a statt zuvor einer vorgesehen.

Dabei umgibt die eine Drossel 11a die Stromzuführungsleitung 4b, während ein Hochfrequenz-Bypass-Kondensator 6c zwischen die Leitungen 4a und 4b geschaltet ist, so daß dadurch die zwischen der Schweißenergiequelle 31 und der Drossel 11 einerseits bzw. der Drossel 11a andererseits gelegenen Stromzuführungsabschnitte über den Kondensator 6c miteinander verbunden sind.

Bei der so aufgebauten Schweißmaschine wird die Lichtbogenzündung durch den Strom, der von der Schweißenergiequelle 31 stammt, bewirkt und aufrechterhalten, nachdem mit Hilfe der elektrischen Hochfrequenzquelle 5 die Hochfrequenzentladung durchgeführt worden ist. Während der Lichtbogen besteht, wird der Schweißvorgang ausgeführt.

Die Schweißenergiequelle 31 ist gegen die Hochfrequenz-Hochspannung durch die Drosseln 11 und 11a und den Bypass-Kondensator 6b geschützt. Es können im übrigen an verschiedenen Stellen oder in verteilter Form in der Schaltung weitere Drosseln vorgesehen werden.

Eine Ausführungsform der Drossel, die ein wesentliches Merkmal der Erfindung darstellt, wird in Verbindung mit Fig. 4 näher beschrieben.

Sie besteht aus mehreren Kreisscheiben, die zu einer Gesamthöhe L übereinandergestapelt sind. Jede einzelne Scheibe hat einen Außendurchmesser D, einen inneren Lochdurchmesser d und eine Dicke l.

Die Impedanz der Hochfrequenzdrossel läßt sich durch folgende Gleichung wiedergeben:

Darin bedeuten µ₀ die absolute Permeabilitätskonstante (4π ×10^-7 H/m), μ_r die relative Permeabilitätskonstante des magnetischen Materials und ω die Winkelfrequenz (1,88×10⁷ rad/s entsprechend einer Frequenz von 3 MHz der Stromquelle 5).

Nimmt man eine Ausführungsfrequenz der elektrischen Hochfrequenzquelle 5 von 3 MHz, eine Ausgangsspannung von 5 kV und eine erforderliche Impedanz Z der Hochfrequenzdrossel von 2 kΩ an, und sind die Abmessungen der Drossel D=40 mm, d=5 mm und L=500 mm, dann ist für diese Werte die Beziehung zwischen der Dicke l und dem Widerstand ρ eines verwendeten Ferrit im Diagramm der Fig. 5 gezeigt. Wenn beispielsweise die relative Permeabilität μ_r des Ferrit 760 beträgt, dann ist die Dicke l 50 mm. Der Innendurchmesser d soll 5 mm betragen, so daß ein Kupferrohr, das als Stromzuführungsleitung 4a benützt wird, hindurchgeführt werden kann.

Als Material für die Hochfrequenzdrossel wird vorzugsweise ein Ferrit-Material von hoher Widerstandsfähigkeit verwendet. Die Abmessungen der Hochfrequenzdrossel sind durch die Dimensionen der Schweißmaschine und des Kabels bestimmt, an dem sie benutzt werden soll, sowie durch die zulässigen Herstellungskosten vorgegeben. Die maximal zulässige Außenabmessung der Hochfrequenzdrossel sind 40 mm Außendurchmesser, 15 mm Innendurchmesser und 0,5 m Länge. Wegen der der Hochfrequenzquelle 5 eigenen Eigenschaften ist es anzustreben, daß die Impedanz Z der Drossel 11 bei einer Frequenz von 3 MHz wenigstens 2 kΩ beträgt.

Aufgrund der vorstehend genannten Grenzwerte und im Hinblick auf Gleichung (1) sollte die relative Permeabilität μ_r wenigstens 1100 sein. Da jedoch die relative Permeabilität μ_r von Ferritmaterial typsichersweise nicht höher als 5000 ist, muß das Verhältnis des Außendurchmessers der Hochfrequenzdrossel zum Innendurchmesser wenigstens das 1,2fache dessen betragen, was durch die Gleichung (1) vorgegeben wird.

Die Drossel 11 hat einen Wirbelstromeffekt und einen Skin- Effekt. Wenn die Frequenz erhöht wird, vermindert sich dadurch die relative Permeabilität μ_r. Es ist deshalb wünschenswert, die Drossel 11 durch Übereinanderstapeln mehrerer Ferritscheiben herzustellen, wie dies in Fig. 4 angedeutet ist, und diese Scheiben elektrisch gegeneinander zu isolieren.

Die Abnahme der relativen Permeabilität μ_r aufgrund des Wirbelstromeffekts und des Skin-Effekts ist folgendermaßen. Die Eindringtiefe δ durch den Skin-Effekt kann durch folgende Gleichung (2) wiedergegeben werden:

worin ρ der spezifische Widerstand des Ferrit, f die Frequenz des zugeführten Stroms, μ₀ die absolute Permeabilität und μ_r die relative Permeabilität sind. Der Begriff μ_e stellt einen effektiven Permeabilitätswert dar, wenn δ nicht vernachlässigt werden kann. Es versteht sich aus Fig. 5 dann, daß ein Permeabilitäts-Abnahmeverhältnis

als Funktion des Verhältnisses r=ℓ/δ ausgedrückt werden kann. Wenn beispielsweise r=3 ist, so erhält man

zu 0,52, so daß dann μ_e=0,52 μ₀μ_r ist. Um eine zu starke Abnahme von μ_e zu verhindern (z. B. um μ_e=μ₀μ_r zu machen), wird aus der Fig. 5 deutlich, daß Ferrit nicht mit hinreichender Wirksamkeit verwendet werden kann, ohne daß der Verhältniswert r zu 1 oder kleiner gemacht wird.

Die relative Permeabilität μ_r käuflicher Ferrit-Materialien steht im wesentlichen im umgekehrten Verhältnis zum spezifischen Widerstand ρ. Bei einem speziellen Ferritmaterial, das für die Erfindung eingesetzt werden kann, ist ρ=100 Ωcm bei μ_r=1100. Setzt man diese Werte in die nachfolgende Gleichung (3) ein, dann erhält man als maximale Scheibendicke ℓ unter der Forderung, das r=1 oder kleiner sein soll, 10 mm oder weniger.

Die Beschreibung der Erfindung wurde an Ausführungsbeispielen einer MIG-Schweißmaschine vorgenommen, doch ist die Erfindung nicht auf diese Vorrichtungen beschränkt. Das technische Konzept kann auch bei einer Lichtbogenschweißmaschine eingesetzt werden, bei der eine elektrische Hochfrequenzquelle zur kontaktlosen Erzeugung des Lichtbogens eingesetzt wird wird, z. B. bei einer TIG-Schweißmaschine, einer Lichtbogen- Schmelzbrennmaschine oder einer elektrischen Entladungsmaschine, wobei dann dieselben günstigen Wirkungen erzielt werden.

Claims (3)

1. Apparatur zur berührungsfreien Hochfrequenz-Lichtbogenerzeugung mit einer Elektrode, die einem elektrisch leitfähigen Material, das durch eine elektrische Lichtbogenentladungsstrecke bearbeitet werden soll, gegenübersteht, einer Hauptenergiequelle zum Zuführen des Lichtbogenentladungsstroms zwischen der Elektrode und dem Material, einem elektrischen Leiter zum Verbinden der Hauptenergiequelle mit der Elektrode und einer elektrischen Hochfrequenzquelle, die eine Hochfrequenz-Hochspannung zwischen die Elektrode und das Werkstück führt, um für die Lichtbogenzündung in der Lichtbogenstrecke eine Hochfrequenzentladung hervorzurufen, mit wenigstens einer in einem Abschnitt der elektrischen Zuleitung der Hauptenergiequelle angeordneten Hochfrequenz-Drossel und einem Hochfrequenz-Ableitkondensator, der mit einem Kondensatorbelag an die elektrische Zuleitung im Bereich zwischen der Hochfrequenz-Drossel und der Hauptenergiequelle angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die wenigstens eine Hochfrequenz-Drossel (11, 11a) aus einem Stapel von magnetischen und elektrisch gegeneinander isolierten Scheiben mit Mittelbohrung besteht, die zu einem Zylinder zusammengesetzt sind, und
• b) der Außendurchmesser (D) der Scheiben der Hochfrequenz- Drossel (11, 11a) wenigstens das 1,2fache ihres Innendurchmessers (d) beträgt und die Scheibendicke (1) höchstens 10 mm beträgt.

2. Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben aus einem Ferrit enthaltenden Material bestehen, bei dem der spezifische Widerstand etwa ρ=100 Ωcm und die relative Permeabilität etwa 1100 μ_r beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Hochfrequenz-Drossel (11a), die auf einen zweiten elektrischen Zuführleiter (4b) aufgesetzt ist, der die Hauptenergiequelle (31) mit dem zu behandelnden Werkstück (1) verbindet, und einen zweiten Belag des Kondensators (6c), der mit der zweiten elektrischen Zuleitung (4b) zwischen der Hauptenergiequelle (31) und der zweiten Hochfrequenz-Drossel (11a) verbunden ist.