DE3230053A1 - Gleichstrom-lichtbogenschweissgeraet - Google Patents

Description

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PAT E N TAN WALTE

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . Dl Pl..I NG. W. EITLE . DR. RE R. NAT. K. HOFFMAN N . DIPL.-ING. W. LEHN

DIPL.-ING. K.FOCHSLE . DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 ■ D-BOOO M 0 N CH EN 81 . TELEFON (089) 911087 . TELEX 05-29*19 (PATHE)

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Tokyo /JAPAN

Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerät

Die Erfindung betrifft ein Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerät und speziell ein Gleichstrctn-Lichtbogenschweißgerät mit einer Steuerschaltung, die den Anstieg des Schweißstromes zu steuern vermag.
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Ein Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerät dieses Typs ist in Fig. 1 gezeigt, in der eine Gleichstromquelle mit einem Schweißtransformator mit 1 bezeichnet ist, ein Schalterelement mit 2 zur Steuerung des AusgangsStroms der Stromquelle 1, während Ausgangsanschlüsse des Schweißgerätes mit 3 und 4 bezeichnet sind, mit 5 ein Kontaktchip und mit 6 eine sich verbrauchende Schweißelektrode (die im folgenden als "der Draht" bezeichnet wird), welcher elektrische Energie über den Kontaktchip 5 zugeführt wird. Das 2u schweißende Material 8 (im folgenden als "Basismetall" bezeichnet) ist mit dem Ausgangsanschluß 4 verbunden und es werden Lichtbögen 7 zwischen dem Draht 6 und dem Basismetall 8 hergestellt. Ein Stromdetektorelement 9, wie beispielsweise ein Shuntwiderstand, ist mit einer Ausgangsstrom-Steuerschaltung 17 gekoppelt, um das Ausgangssignal

des Detektorelements 9 abhängig von der Ausgangsgröße einer arithmetischen Schaltung 11 zu steuern. Die arithmetische Schaltung 11 besteht aus einem Operationsverstärker 12, einem Widerstand 13, der !zwischen einer Invertierungsklemme des Verstärkers 12 und einer Ausgangsspannung-Eins tellschaltung 10 gekoppelt ist und aus einem veränderbaren Widerstand bestehen kann, besteht ferner aus einem Widerstand 14, der zwischen dem Ausgangsanschluß 3 und dem invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 12 gekoppelt ist, einem Widerstand 15, der zwischen einem Ausgangsanschluß des Verstärkers 12 und dem invertierenden Eingangsanschluß desselben gekoppelt ist, und aus einem Kondensator 16, der zum Widerstand 15 parallel geschaltet ist. Mit 18 ist eine Treiberschaltung zum Verstärken der Ausgangsgröße der Steuerschaltung 17 bezeichnet und sie steuert den Ein-Ausbetrieb des Schalterelements 12.

Im folgenden soll die Betriebsweise des Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerätes nach Fig. 1 erläutert werden.

Ein Ausgangspannung-Einstellsignal e der Ausgangsspannung-Einstellvorrichtung 10 und ein Ausgangspannungs-Rückkopplungsisgnal e_vf werden in dem Verstärker 12 einem Vergleich und einer Verstärkung unterzogen. Das Ausgangssignal e der arithmetischen Schaltung 12 und das Ausgangsstromsignal e._f des Ausgangstrom-Detektorelements 9 werden in der Ausgangsstrom-Steuerschaltung 17 verarbeitet, um ein Signal e. zu erzeugen, welches der folgenden Treiberschaltung 18 zugeführt wird, so daß das Signal e_if, welches dem Ausgangssignal e entspricht, immer zur Verfügung steht. Die Treiberschaltung 18 arbeitet derart, daß sie das Schalterelement 2 in Abhängigkeit von dem zuvor erläuterten Signal e. treibt. Wenn das Schalterelement 2

wiederholt in den leitenden Zustand (EIN) und den nicht leitenden Zustand (AUS) geschaltet wird, so fließt ein Strom von der Gleichstromversorgungsschaltung 1 über das Schalterelement 2, den Ausgangsanschluß 3, das Kontaktchip 5, den Draht 6, den Lichtbogen 7, das Basismetall 8, den Ausgangsanschluß 4 und das Ausgangsstrom-Detektorelement 9 zurück zur Gleichstromversorgungsschaltung. Der genannte Ausgangsstrom wird zur Ausgangsstrom-Steuerschaltung 17 durch das Ausgangsstrom-Detektorelement 9 in Form eines Ausgangsstromsignals e._f rückgekoppelt. In dieser Schaltung stellt das Ausgangsstrom-Einstellsignal das Ausgangssignal e_VQ der arithmetischen Schaltung 11 dar. Das Ausgangsstrom-Einstellsignal e wird so bestimmt, daß das Ausgangspannnng-Rückkopplungssignal e ~ konstant gehalten wird und zwar ungeachtet des Lichtbogenzustandes (das Ausgangspannung-Einstellsignal e ist konstant). Daher ist auch die Spannung zwischen den Ausgangsanschlüssen 3 und 4 ungeachtet der zwischen diesen Anschlüssen liegenden Last konstant. Bei Auftreten eines Kurzschlusses zwischen dem Draht 6 und dem Grundmetall 8, wenn also die Steuerschaltung so arbeitet, daß sie einen großen Strom momentan in den Draht 6 schickt, um zwischen den Anschlüssen die Spannung konstant zu regeln, fließt in den Draht 6 ein Strom, der größer ist als der geforderte Strom. Dadurch schmilzt der Draht teilweise und zerspritzt in allen Richtungen (im folgenden als "Zerspritzen" bezeichnet). Aufgrund dieses Zerspritzens wird der Abstand zwischen dem Draht 6 und dem Grundmetall 8, unmittelbar nach dem Beseitigen des Kurzschlusses (im folgenden als Lichtbogenlänge bezeichnet), vergrößert, was dann zu einem unstabilen Lichtbogenzustand führt und schließlich zum Erlöschen des Lichtbogens führt. Dabei kann das abgespritzte Metall an dem Grundmetall 8 anhaften und es ist schwierig, dieses Metall wieder zu entfer-

nen. Aus diesem Grund ist ein Zeitverzögerungselement, wie beispielsweise ein Kondensator 16, in der arithmetischen Schaltung 11 vorgesehen, so daß das Ausgangssignal e sich mit der Verzögerungszeit abhängig von einer plötzlichen Änderung des Ausgangspannung-Rückkopplungssignal e ψ ändert. Als Ergebnis wird der Ausgangsstrom nicht plötzlich erhöht, sondern wird allmählich erhöht, abhängig von der Ausbildung des Kurzschlusses zwischen dem Draht 6 und dem Grundmetall 8. Fig. 2 zeigt die Be-Ziehungen zwischen dem Ausgangspannung-Rückkopplungsignal e_v£, dem Ausgangspannung-Einstellsignal e , dem Ausgangssignal e und dem Ausgangsstrom I. Das zuvor erläuterte Gerät ist ausführlicher in der parallel laufenden Patentanmeldung beschrieben, und es sind in die-

ser Patentanmeldung auch Beispiele der Ausgangsstrom-Steuerschaltung 17 und der Treiberschaltung 18 im einzelnen erläutert.

Es ist weiter zu beachten, daß dann, wenn die Xnderungsgeschwindigkeit des Ausgangsstromes im Falle eines Kurzschlusses zwischen dem Draht 6 und dem Grundmetall 8 so erzeugt wird, daß die Geschwindigkeit in einem kleinen Strombereich größer ist als diejenige in einem großen Strombereich, ein stabiler Lichtbogenzustand über den gesamten Betriebsbereich hinweg erhalten werden kann und ein Abspritzen bzw. Zerspritzen kaum auftreten kann. Da bei dem zuvor erläuterten Gerät die Änderungsgeschwindigket konstant gemacht wird, wenn der Kondensator 16 vorgesehen ist, um den Lichtbogen in dem kleinen Strombereich stabil zu machen, kann eine große Menge von abspritzendem Metall im großen Strombereich die Folge sein. Wenn andererseits der Kondensator 16 vorgesehen ist, um den Lichtbogen in dem großen Strombereich stabil zu machen, kann der Lichtbogenzustand im kleinen Strombereich dann unstabil werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die zuvor erläuterten Nachteile zu beseitigen und ein Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerät zu schaffen, mit dem ein stabiler Schweißbetrieb durchgeführt werden kann ohne das Erzeugen von abspritzenden Metallteilchen, und zwar innerhalb eines breiten Strombereiches (Stromgrößenbereiches).

Im Rahmen dieser Aufgabe soll auch ein Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerät geschaffen werden, welches die Möglichkeit bietet, automatisch die Anstiegskennlinie des Schweißausgangsstromes zu einem gewünschten Zeitpunkt zu ändern.

Zur Lösung der genannten Aufgabe schafft die Erfindung ein Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerät mit einer Gleichstromversorgungsquelle, um einen Strom zwischen der Schweißelektrode und einem zu schweißenden Material fließen zu lassen, und zwar mit Hilfe eines Schalterelements, wobei dieses Gerät einen Operationsverstärker enthält, um eine Rückkopplungsspannung zwischen der Schweißelektrode und dem zu schweißenden Material mit einer vorbestimmten Spannung zu vergleichen, und dadurch ein Differenzsignal zu gewinnen. Das Schweißgerät enthält ferner eine arithmetische Schaltung mit mehreren Verzögerungselementen, die selektiv abhängig von einem Ausgangssignal des Operationsverstärkers betätigbar sind, ferner einen Stromdetektor zur Peststellung des Stromes, der zwischen der Schweißelektrode und dem zu schweißenden Material fließt, eine Ausgangsstrom-Steuerschaltung, um den durch die Stromdetektoreinrichtung festgestellten Strom und einer Ausgangsgröße der arithmetischen Schaltung, die einem vorbestimmten Strom entspricht, einem Vergleich zu unterziehen und ein Steuersignal zu bilden, und enthält schließlich eine Treiberschaltung für das

Schalterelement, wobei die Treiberschaltung auf das Steuersignal anspricht, um den EIN-AUS-Betrieb des Schaltelement s zu steuern.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbe:J.spielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines vergleichbaren Beispiels eines Gleichstrom-Lichtbogenschweißgeräts;

Fig. 2 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen einem Ausgangspannung-Einstellsignal e , einem Ausgangspannung-Rückkopplungssignal e £, einem Ausgangssignal e und einem Ausgangsstrom I der Vorrichtung nach

Fig. 1 wiedergibt;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Merkmalen nach der Erfindung; und

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels mit Merkmalen nach der Erfindung .
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Ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Gleichstrom-Lichtbogenschweißgeräts mit Merkmalen nach der Erfindung ist in Fig. 3 veranschaulicht, wobei alle Teile, die bereits unter Hinweis auf Fig. 1 beschrieben wurden,

in ähnlicher Weise nummeriert bzw. mit Bezugszeichen versehen sind. Zusätzlich bezeichnen die Bezugszeichen 19 und 20 Widerstände, die eine Reihenschaltung zwischen dem Ausgangsanschluß des Verstärkers 12 und Masse oder Erde bilden, während mit 21 ein Transistor bezeichnet ist, dessen Basis mit der Verbindung zwischen den Widerständen 19 und 20 verbunden ist, dessen Emitter mit dem Ausgang des Verstärkers 12 und dessen Kollektor über einen Widerstand 22 mit Masse oder Erde verbunden ist. Ein Kondensator 23 ist zwischen den invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 12 und den Kollektor des Transistors 21 geschaltet.

im folgenden soll nun die Betriebsweise des Gerätes gemäß Fig. 3 beschrieben werden. Bei der Schaltung nach Fig. ist das Ausgangssignal e größer als Null. Wenn das Ausgangssignal e größer wird, so wird auch der Ausgangsstrom I anwachsen. Für den Fall, daß das Ausgangssignal e relativ klein ist (der Ausgangsstrom I ist relativ klein), ist die über dem Widerstand erscheinende Spannung kleiner als diejenige, die ausreichend ist, um den Transistor 21 in den leitenden Zustand zu bringen und folglich bleibt der Transistor 21 im nicht leitenden Zustand. Dann wird entsprechend einer Verzögerungszeit, die durch den Kondensator 16 festgelegt ist, die arithmetische Schaltung 11 in Betrieb gesetzt, um einer plötzlichen Änderung des Ausgangspannung-Rückkopplungssignals e ,. entgegen zu wirken. Als Folge erhält die Anstiegskennlinie des Ausgangsstromes eine relativ scharfe Änderung. Wenn andererseits das Ausgangssignal e relativ groß ist (der Ausgangsstrom I ist dann relativ groß), wird die Spannung über den Widerstand 19 größer als diejenige, die ausreichend ist, um den Transistor 21 leitend zu machen, und daher wird der Transistor 21 in den leitenden Zustand ge-

bracht. Nach Eintreten dieses Leitzustandes wird der Kondensator 23 parallel zum Kondensator 16 geschaltet. Demzufolge arbeitet dann die arithmetische Schaltung 11, in dem sie auf eine plötzliche Änderung im Ausgangspannung-Rückkopplungssignal e _ anspricht, mit einer Zeitverzögerung, die durch die Kondensatoren 16 und 23 bestimmt wird. Als Ergebnis erhält die Anstiegskennlinie des Ausgangsstromes I eine relativ langsame oder mäßige Änderung. Wie beschrieben wurde, kann man durch Einstellen des Widerstandsverhältnisses der Widerstände 19 und 20 auf einen gewünschten Wert die Anstiegskennlinie des Ausgangsstromes auf einen gewünschten Punkt verändern. Damit ist ein stabiler Schweißbetrieb möglich, bei dem das Ausmaß des Zerspritzens gering bleibt, und zwar über einen breiten Strombereich hinweg.

Obwohl die Anstiegscharakteristik des Ausgangsstromes bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel nur einmal geändert wird, kann man gemäß Fig. 4 die Anstiegscharakteristik dieses Stromes viele Male ändern, in dem man zusätzliche Transistoren wie bei 26 (Fig. 5) zusammen mit zugeordneten Widerständen 24, 25, 27 und Kondensatoren 28 vorsieht.

Obwohl bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein pnp-Transistor verwendet wird, läßt sich eine ähnliche Funktion auch erhalten, in dem man ein Schalterelement in Form eines FETs verwendet.

Es ergibt sich aus der vorangegangenen Beschreibung, daß erfindungsgemäß die Verzögerungszeit der arithmetischen Schaltung 11 abhängig von der Änderung eines Ausgangsstromes verändert wird, so daß die Anstiegscharakteristik bzw. Anstiegskennlinie des Ausgangsstromes auf einen geeigneten Wert gegenüber dem Ausgangsstrom eingestellt wird.

Daher wird bei dem Schweißgerät mit Merkmalen nach der Erfindung ein stabiler Schweißbetrieb ermöglicht, bei welchem das Abspritzen von Metallteilchen nicht sehr häufig auftritt und zwar über den gesamten Schweißstrombereich hinweg.

Leerseite

Claims (6)

HOFFMANN Ί$τΤΪΔΖ& PÄRTNKR PATENTANWÄLTE DR1 INC E. HOFFMANN (1930-1976) - DIPL.-INCW.EITLE - DR1RER. NAT. K.HOFFMANN · Dl PL1-I N G. W. LE Il N DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELIASTRASSE 4 ■ D-8000 M D NCH EN 81 . TELEFON (089) 911087 . TELEX 05-29619 (PATHE) - 1 - 37 323 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Tokyo /JAPAN Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerät PATENTANSPRÜCHE :

1. J Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerät, gekennzeichnet durch folgende Merkmale und Einrichtungen:

eine Gleichstromversorgungsquelle zum Zuführen eines Stromes zwischen einer Schweißelektrode und einem zu schweißenden Material über ein Schalterelement,

eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen einer Rückkopplungsspannung, die zwischen der Schweißelektrode und dem zu schweißenden Material auftritt, mit einer vorbestimmten Spannung, um daraus ein Differenzsignal zu gewinnen.

eine Schaltungsanordnung mit einer Vielzahl von Verzögerungselementen, die selektiv abhängig von einem Aus-

gangssignal der Vergleichseinrichtung betätigbar sind, eine Stromdetektoreinrichtung zum Feststellen eines zwischen der Schweißelektrode und dem zu schweißenden Material fließenden Stromes, und

\

eine Ausgangsstrom-S, teuer schaltung, um den durch die Stromdetektoreinrichibung festgestellten Strom und eine Ausgangsgröße der genannten Schaltungsanordnung, die einem vorbestimmten Strom entspricht, einem Vergleich zu unterwerfen \und dadurch ein Steuersignal

abzuleiten. \ \

2. Schweißgerät nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß eine

¹ \

Treibereinrichtung zum Treiben des Schalterelements vorgesehen ist, wobei die Treibereinrichtung auf das Steuersignal anspricht.

3. Schweißgerät nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß d±e_} Schaltungsanordnung eine arithmetische Schaltung umfaßt und daß die Vergleichseinrichtung einen Operationsverstärker enthält, der an die arithmetische Schaltung gekoppelt ist. ^!

4. Schweißgerät nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet , daß die arithmetische Schaltung eine Schaltereinrichtung enthält, um selektiv eines oder mehrere der Verzögerungselemente zu betätigen. i

5. Schweißgerät nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß die Verzögerungselemente aus Kondensatoren bestehen, die

an den Eingang des Operationsverstärkers gekoppelt sind und die selektiv parallel abhängig von der Betätigung der Schaltereinrichtung schaltbar sind.

6. Schweißgerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltereinrichtung aus Transistoren besteht, die an die Verzögerungselemente gekoppelt sind.