DE3108917C2 - - Google Patents
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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), μr 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 μr 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 μr wenigstens
1100 sein. Da jedoch die relative Permeabilität μr 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 μr. 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 μr 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 μr die relative Permeabilität sind. Der Begriff μe
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 μe=0,52 μ₀μr ist. Um eine zu starke
Abnahme von μe zu verhindern (z. B. um μe=μ₀μr 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 μr 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 μr=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 μr 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.
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