DE3615011A1 - Vorrichtung zum elektrischen lichtbogenschweissen mit magnetisch bewegtem lichtbogen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektrischen Lichtbogenschweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen zweier anschmelzender Werkstücke, vorzugsweise Rohrenden, Ringen oder dergleichen, an einer geschlossenen Nahtbahn mit einem ein Magnetfeld längs der Nahtbahn erzeugenden Magnetsystem. Derartige Vorrichtungen sind dem Fachmann in vielen verschiedenartigen Ausführungsformen bekannt, beispielsweise durch die DE-OS 30 18 199.

Bei derartigen Vorrichtungen weist das Magnetsystem eine die Werkstücke beziehungsweise die Nahtbahn zwischen den fest eingespannten Werkstücken auf ihrem gesamten Umfang umgebende Polfläche auf, durch die ein durch den Schweißspalt hindurchtretendes Feld austritt beziehungsweise erzeugt wird, das eine radial zur Richtung der Lichtbogenachse verlaufende Komponente hat. Die Polfläche wird beispielsweise, wie bei der vorgenannten Druckschrift, gebildet durch meherere, mit ihren Polschuhen ungefähr radial zur Nahtbahn angeordneten Magneten, so daß die Polflächen der einzelnen Polschuhe zusammen in bekannter Weise die die Nahtbahn beziehungsweise Werkstücke umschließende, zylindrische und mit ihrem Öffnungsquerschnitt eine geschlossene Kurve bildende Polfläche ergeben.

Entscheidend für die Güte der Schweißverbindung ist, daß eine möglichst gleichmäßige Erwärmung und Materialverteilung am ganzen Umfang der Schweißnahtbahn erreicht wird, wenn am Ende des Schweißvorganges die beiden zu verbindenden Werkstücke in bekannter Weise gegeneinander gestaucht werden, um die Gefahr einer Fehlverbindung zu vermeiden. Durch verschiedene Einflüsse wird bei den bekannten Maschinen der eingangs genannten Art eine solche gleichmäßige Wärme- und Materialverteilung verhindert, wie zum Beispiel durch unterschiedliche Wärmeableitung durch die Bauteile selbst, oder durch die Spanneinrichtung, durch Bauteilmaterial, Wandstärke usw. Außerdem wird bei vertikaler Nahtbahn- beziehungsweise Schweißebene der Lichtbogenlauf ungünstig beeinflußt durch die Bewegung der Schmelze infolge der Gravitation. In der Steignaht bewegt sich die Schmelze entgegen der Laufrichtung des Lichtbogens und bremst dessen Bewegung, in der Fallnaht hingegen bewegt sie sich in Lichtbogenlaufrichtung. Eine weitere Störung des Lichtbogenlaufs und damit Verungleichmäßigung des Schweißergebnisses kommt auch durch ungleichmäßige, vom Schweißstrom herrührende magnetische Streufelder.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, durch die eine weitgehende Verminderung der vorgenannten Schwierigkeiten und eine gleichmäßigere Erwärmung der verschiedenen Bereiche des Schweißquerschnitts erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art das Magnetfeld entlang des Umfangs der Nahtbahn an räumlich verschiedenen Stellen oder Bereichen dieses Umfangs zu einem bestimmten Zeitpunkt unterschiedlich stark ist. Dadurch kann erreicht werden, daß der Lichtbogen in verschiedenen Umfangsbereichen verschieden stark angetrieben wird, so daß durch eine so erzeugte gleichmäßige Verweildauer des Lichtbogens in allen Umfangsbereichen eine gleichmäßige Erwärmung weitgehend erreicht werden kann. Die Erfindung besteht also bei einer solchen Vorrichtung in der Anwendung eines zwar - zumindest während eines bestimmten Zeitabschnittes - zeitlich konstanten, aber örtlich unterschiedlichen Magnetfeldes. Es wird im Gegensatz zum Stand der Technik bewußt ein je nach Bedarf inhomogenes Feld angestrebt.

Bei der Erfindung empfiehlt es sich, daß das Magnetfeld in verschiedenen räumlichen Umfangsbereichen in seiner Stärke unterschiedlich, d.h. unabhängig von der Einstellung im Nachbarbereich, veränderbar ist, insbesondere auch zeitlich veränderbar ist, so daß in den einzelnen Umfangsbereichen von Zeit zu Zeit jeweils gewünschte Feldstärken einstellbar sind, durch welche während eines bestimmten Zeitabschnitts beim Schweißvorgang jeweils eine gewünschte Lichtbogengeschwindigkeit erzeugt werden kann.

Die jeweils in einem Umfangsbereich zweckmäßigerweise einzustellende Feldstärke hängt natürlich ab von dem jeweils zu verarbeitenden Werkstück (Bauteilform, Wandstärke bzw. Umriß und Querschnittsfläche) und kann durch Versuch bei einer gegebenen Vorrichtung für jede zu verarbeitende Werkstückart ermittelt werden. Im Bereich einer Steignaht empfiehlt es sich, das Feld gegenüber dem im Bereich der Fallnaht etwas zu verstärken, um den Lichtbogenlauf bei der Aufwärtsbewegung zu unterstützen. Bei Bereichen mit breiter werdenden Wandflächen des Werkstücks wird man, um den Lichtbogen dort etwas zu verlangsamen und etwas länger verweilen zu lassen, das Feld dort hingegen grundsätzlich, zumindest zeitweilig, etwas schwächer ausbilden.

Die Einstellung, beziehungsweise Änderung der Feldstärke eines Magneten läßt sich bekanntlich sowohl auf mechanische Weise (Veränderung der Abstände beziehungsweise Luftspalte) als auch auf elektrische Weise (Veränderung der Erregung des Magneten, am einfachsten durch Einstellung des Stroms in der Erregerwicklung) erreichen. Im Rahmen der Erfindung besteht daher die Möglichkeit, daß der Abstand zwischen der Polfläche des Magnetsystems und dem Werkstück in räumlich verschiedenen Umfangsbereichen unterschiedlich ist, insbesondere unterschiedlich einstellbar ist, beispielsweise durch Änderung des Abstands eines einen Teil der Polfläche bildenden Polschuhes eines Einzelmagneten.

Im Rahmen der Erfindung wird also im allgemeinen die Lage des Werkstückquerschnitts nicht unbedingt symmetrisch beziehungsweise konzentrisch zu dem Mittelpunkt des Magnetsystems beziehungsweise des das Werkstück umschließenden Öffnungsquerschnitts der Polfläche sein. Das Werkstück kann vielmehr im einfachsten Fall mit seinem Schweißquerschnitt beispielsweise innerhalb dieser Polflächenöffnung relativ zu dieser verschoben werden, um einen gewünschten Lichtbogenlauf zu erreichen. Bei einem kreisförmigen Rohrquerschnitt mit ungefähr gleichmäßiger Wandstärke über den ganzen Umfang kann sich zum Beispiel eine leichte Verschiebung beziehungsweise Annäherung des Werkstückquerschnittes auf der Seite der Steignaht in Richtung zu der Polfläche hin empfehlen.

Eine mögliche Ausführungsform dieser erfindungsgemäßen Einstellung unterschiedlicher Feldstärke in verschiedenen Umfangsbereichen läßt sich bereits dadurch erreichen, daß die Spanneinrichtung für die Werkstücke und das Magnetsystem der Vorrichtung relativ zueinander in der Schweißebene verschiebbar und in einer dann erreichten, gewünschten Lage relativ zueinander feststellbar sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Polfläche gebildet ist durch die Polschuhflächen von mehreren, ungefähr radial zum Mittelpunkt des Magnetsystems beziehungsweise zum Mittelpunkt des von der Polfläche umschlossenen Schweißquerschnitts angeordneten Einzelmagneten, von denen mindestens einer in einer Führungseinrichtung in radialer Richtung bewegbar und feststellbar gelagert ist. Hierdurch kann der Abstand der die zu verschweißenden Werkstücke im Bereich der Nahtbahn umgebenden Polfläche, zum Beispiel durch Wegbewegen eines Einzelmagneten von der Schweißstelle in diesem seinem Polschuh entsprechenden Umfangsbereich vergrößert und damit das in diesem Bereich bestehende Feld etwas geschwächt werden, wodurch der Lichtbogenlauf in diesem Bereich etwas verlangsamt wird.

Die Art der Feldstärkeeinstellung ist vor allem von der Art des Spulensystems, weiterhin dann vom Bauteil abhängig.

In bevorzugter Ausführungsform ist hierbei die Erregerwicklung mindestens eines von mehreren, mit ihren Polschuhen die Polflächen bildenden, radial um die Nahtbahn herum angeordneten Einzelmagneten, die also aus einem ferromagnetischen Kern mit einer darauf gewickelten Erregerspule bestehen, an eine Einrichtung zur Regelung des Stroms in der Wicklung geschaltet ist. In dieser Ausführungsform sieht die Erfindung also eine unterschiedliche Erregung der einzelnen Magnete des Magnetsystems vor, die mit ihren Polschuhen gemeinsam die Polfläche bilden. Besonders vorteilhaft ist die Kombination beider Möglichkeiten, die Feldstärkeeinstellung sowohl auf mechanischem, wie auch auf elektrischem Wege.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung mit einem aus vier Einzelmagneten bestehenden Magnetsystem mit Draufsicht auf den Querschnitt eines zu verschweißenden Werkstücks und

Fig. 2 einen zeitlichen Stromverlauf in den Erregerwicklungen der Magnete.

Bei der dargestellten Schweißvorrichtung besteht das Magnetsystem aus vier Einzelmagneten (1, 2, 3, 4), die in bekannter Weise jeweils aus einem Kern aus ferromagnetischem Material bestehen, eine (zweckmäßigerweise bei allen Magneten gleich ausgebildete) Erregerwicklung (5) aufgebracht ist und mit ihren Polschuhen gemeinsam die Polfläche (6) bilden. Die Polfläche (6) ist hier im wesentlichen kreisförmig ausgebildet, nachdem auch das zu verschweißende Werkstück (7), hier ein Rohrstück, einen kreisförmigen Außenquerschnitt aufweist.

Jeder der Magnete (1, 2, 3,) ist hier jeweils in einer Führungseinrichtung (8) gelagert und in radialer Richtung gemäß Pfeil (9) bewegbar geführt und mit seinem Polschuh in einem gewünschten Abstand vom Werkstück (7) einstellbar und fixierbar. Hierdurch kann also der ursprüngliche, hier dargestellte Kreisquerschnitt der Polfläche (6) in der oben bereits erwähnten Weise zwecks Feldänderung im Bereich des verstellten Polschuhes beziehungsweise Magneten verändert werden.

Zusätzlich zu der mechanischen Veränderung der Feldstärke kann diese auch geändert werden durch Ändern des Erregerstroms in den Erregerwicklungen (5). Hierzu sind diese an eine Stromstelleinrichtung (10), hier in Form eines Stellwiderstandes, angeschaltet, über die der Strom geliefert wird.

Die räumlich unterschiedliche Einstellung der Feldstärke in verschiedenen Bereichen des Nahtumfangs kann auf mechanische und elektrische Art einzeln für sich, oder auch in Kombination beider Arten erfolgen. Das dargestellte Beispiel zeigt eine rein elektrische Einstellung der Feldstärke. Die Polung der Magnete und der Richtung des Schweißstroms sind bei diesem Beispiel so gewählt, daß der Lichtbogen gemäß Pfeil (11) umläuft. Das Werkstück (7), das mit einem anderen des gleichen Querschnitts zu verschweißen ist, hat hier beispielsweise im unteren Bereich eine vergrößerte Wandstärke. Um dort den Lichtbogen zwecks ausreichender Erwärmung etwas länger verweilen, also etwas langsamer laufen zu lassen, wird gemäß Figur 2) zunächst während eines ersten Zeitabschnittes (t < t ₁) der Erregerstrom (I) des Magneten (1) etwas schwächer als bei den anderen Magneten eingestellt. Nach Ablauf der Zeit (t ₁), nach der sich die Erwärmung einigermaßen gleichmäßig ausgebreitet hat, wird dann der Erregerstrom der Magnete abgesenkt (t < t ₁) während er bei den Magneten (1) und (2) noch auf einem etwas höheren Wert gehalten wird, zumal es sich im Bereich der Steignaht empfiehlt den Lichtbogen entgegen der ablaufenden Schmelze etwas stärker anzutreiben.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum elektrischen Lichtbogenschweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen zweier anschmelzender Werkstücke, vorzugsweise Rohrenden, Ringe oder dergleichen, an einer geschlossenen Nahtbahn mit einem ein Magnetfeld längs der Nahtbahn erzeugenden Magnetsystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld entlang des Umfangs der Nahtbahn in räumlich verschiedenen Umfangsbereichen unterschiedlich stark ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld in verschiedenen Umfangsbereichen in seiner Stärke unterschiedlich veränderbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Polfläche (6) des Magnetsystems (1, 2, 3, 4) und dem Werkstück (7) in verschiedenen Umfangsbereichen unterschiedlich ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polfläche (6) gebildet ist durch die Polschuhflächen von mehreren, ungefähr radial angeordneten Einzelmagneten (1, 2, 3, 4), von denen mindestens einer in einer Führungseinrichtung (8) in radialer Richtung bewegbar und feststellbar gelagert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Erregung, insbesondere der Erregerstrom, für verschiedene Umfangsbereiche des Magnetsystems (1, 2, 3, 4) auf unterschiedliche Werte einstellbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (5) mindestens eines von mehreren, mit ihren Polschuhen die Polflächen bildenden, radial angeordneten Einzelmagneten (1, 2, 3, 4) an eine Einrichtung (10) zum Einstellen des Stroms in der Wicklung geschaltet ist.