DE447852C - Vorrichtung zur elektrischen Widerstandsschweissung, insbesondere unter Anwendung sehr kurzer Stromstoesse ausserordentlich hoher Stromstaerke - Google Patents

Description

Die bisherigen Verfahren des elektrischen Schweißens durch elektrische Erhitzung der zu schweißenden Teile und Zusammendrücken derselben sind im allgemeinen in Hinsicht auf die Art der Druckanwendung ungenügend. Bei dem Verfahren der Erfindung kann der Druck in solcher Weise geregelt werden, daß die besten Wirkungen gewährleistet werden. Der Schweißstrom wird dabei gemäß der Erfindung ebenfalls derart geregelt, daß ein denkbar günstiger Wirkungsgrad und möglichste Wirtschaftlichkeit gesichert wird. Die Neuerungen nach der Erfindung sind von besonderer Wichtigkeit in Verbindung mit dem Verfahren des elektrischen Schweißens, bei dem ein Strom von außerordentlich hoher Amperezahl für sehr kurze Zeit, im allgemeinen für den Bruchteil einer Sekunde, angewendet wird.

Die Zeichnung veranschaulicht die zur Durchführung des Verfahrens dienende Vorrichtung. Abb. ι ist ein Schema einer Ausführungsform derselben und

Abb. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Abänderung;

Abb. 3 veranschaulicht in einem Diagramm die Druckveränderungcn während des Forischreitens des Schweißvorganges.

Bei einer elektrischen Widerstandsschweißung ist die Wärmewirkung an der Beruhrungsstelle der zu schweißenden Stücke proportional dem Produkt aus dem Widerstand an der Verbindungsstelle und dem Quadrat des die Verbindungsstelle durchquerenden Stromes. Wenn der Widerstand größer ist, so wird der Strom, der zur Erzielung einer gegebenen Wärmewirkung an der Verbindungsstelle erforderlich ist, kleiner. Wird die elektrische Energie mit konstanter Spannung zugeführt, wie es im allgemeinen der Fall ist, so wird ein erhöhter Widerstand in irgendeinem mit solcher Zufuhr verbundenen Stromkreis den Strom in diesem Stromkreis selbsttätig verringern.

Es ist nicht möglich, einen hohen Widerstand an der Berührungsstelle der beiden zu

schweißenden Stücke aufrechtzuerhalten und zu derselben Zeit eine vollkommene Schweißung zu erzielen. Wenn die Verbindungsstelle die Schweißtemperatur erreicht hat, so wird ein erhöhter Druck erforderlich, um die beiden Metallstücke zu einer vollkommenen Vereinigung zu bringen; ein erhöhter Druck an dieser Verbindungsstelle verringert aber den Widerstand. Es ist nun vorteilhaft, den ίο geringsten Druck zu benutzen, der die Vereinigung der Metalle noch vollendet, um so , das Schweißen mit der geringsten elektrischen Energie auszuführen. Außerdem ist es bei der üblichen Zufuhr elektrischer Energie sehr erwünscht, den Strombedarf möglichst zu verringern, weil ein hoher augenblicklicher Strombedarf, so wie er bei dem obenerwähnten Verfahren erforderlich ist, das Verteilungssystem gefährdet, 'die Verluste in demselben erhöht und Belästigung sowie Unannehmlichkeit für die anderen Benutzer derselben Stromquelle verursacht.

Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird eine Schweißung erreicht mit der geringsten Energiemenge und infolgedessen mit den geringsten Kosten sowie mit dem geringsten Strombedarf und Stromstoß, was die geringste Gefahr und Belästigung für die Verteilungsleitungen und andere Verbraucher bedeutet.

Die für gewöhnlich benutzten Mittel zur Druckausübung während des Schweißens sind wesentlich fehlerhaft. Der Druck von Hand ist, selbst wenn er von einem geschickten Arbeiter ausgeübt wird, wertlos, wenn die Schweißzeit kurz ist. Dasselbe ist der Fall bei Verwendung einer hydraulischen Pumpe. Luft- und Dampfzylinder sind in der Betätigung kostspielig und auch sonst schwerfällig, gefährlich und in der Wirkung zu langsam. Es können auch eine kräftige Feder oder ein totes Gewicht verwendet werden, jedoch machen diese Vorrichtungen komplizierte Mittel zum Wiedereinstellen erforderlich, und zwar ohne ausgleichende Vorfeile. "■ ■ Des weiteren ermöglicht keine der oben angeführten Methoden ein bequemes Regeln oder Verändern des Druckes in einer vorher bestimmten Weise, besonders dort, wo die Dauer der Stromanwendung kurz ist.

Ein Solenoid oder ein Eelektrornagnet ist besser als irgendeine der oben angegebenen Mittel zur Erzeugung des Druckes für das Schweißen der meisten Metalle und besonders für schnelles Schweißen. Es ist das Charakteristische eines Solenoids, daß die Anziehungskraft bei Beginn des Hubes geringer als am Ende ist. Auf diese Weise wird bei Beginn des Schweißens ein leichter Druck mit einem hohen* elektrischen' Widerstand und einem verhältnismäßig geringen Stromstoß erzielt. Für diesen Zweck sind jedoch nicht alle Solenoide gleich brauchbar.

Bei der Schweißvorrichtung nach der Erfindung wird der Druck auf das Werkstück so geregelt, daß die gewünschte Veränderung während der Schweißarbeit gesichert ist. Diese Regelung kann durch Benutzung. entweder eines Solenoids, das eine bestimmte Druckkurve gibt, oder eines Solenoids ο. dgl. bewirkt werden, dessen Strom während des Schweißvorganges verändert wird. Obgleich eine solche Vorrichtung, besonders ein Solenoid oder eine andere Elektromagnetart, offenbar am besten für diesen Zweck geeignet ist, so können doch auch andere Mittel zur Ausübung des Druckes sowie zu seiner Regelung dienen.

In den gewöhnlichen Fällen wird man von Beginn bis zum Schluß einen schrittweise zunehmenden Druck haben wollen. In anderen Fällen wird es erwünscht sein, einen Druck zu benutzen, der bei Beginn auf eine gewisse Höhe gebracht wird und dann bis zum Ende konstant gehalten wird. Beim Schweißen von Messing und anderen nicht eisernen Metallen, wo ein außerordentlich schnelles Schweißen nötig ist, ist es am besten, bei Beginn einen hohen Druck zu benutzen, um eine schnelle Beschleunigung der Druckvorrichtung zu sichern, worauf dann gegen das Ende hin ein konstanter oder auch· ein verringerter Druck folgt, um ein übermäßiges Stauchen solcher Weichmetalle zu vermeiden.

Die Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung der Erfindung. Auf einer Grundplatte ι ist eine Elektrode 2 vorgesehen, die eins der zu schweißenden Stücke trägt. Ein beweglicher Kopf 3 trägt die andere Elektrode 4. Der Strom" geht durch den Sekundärstromkreis 5 eines Transformators, und der Kopf 3 wird zwecks Zusammenschweißens der Stücke nach unten gedruckt. Der Druck wird hierbei durch einen Kniehebel ausgeübt, der aus Gelenkstücken 6, 7 besteht, von denen das letztere mit seinem oberen Ende an einem festen Querbalken 8 angelenkt ist. Die Bewegung des Kniehebels 6, 7 wird durch einen zweiten Kniehebel bewirkt, der aus den Gelenkstücken 9, 10 besteht, von denen das letztere, 10, an einen festen Träger n drehbar befestigt ist. Die Bewegung des Kniehebels 9, IQ wird durch ein Gelenkstück 12 bewirkt, das von einem langen Hebel 13 herabhängt, dessen Drehpunkt sich an dem festen Querbalken 8 befindet, während dessen freies Ende durch eine Gelenkstange 14 mit dem Kern 15 eines Solenoids 16 verbunden ist. An dein Kern 15 des Solenoids ist ein Arm 17 vorgesehen, der eine Kontaktbürste 18 trägt. Diese Bürste kann" durch irgendeinen anderen Teil des Hebelmechanismus betätigt werden,

jedoch ist die dargestellte Anordnung vorteilhaft, weil sie der Bürste für eine kurze Bewegung an den Elektroden 2, 4 (etwa 18 mm in dem gegebenen Fall) einen langen Weg (für den gegebenen Fall etwa 150 mm) gibt. Die Kontaktbürste gleitet an einem Satz von Kontakten ig, mit denen Widerstände 20 verbunden sind, die wiederum durch die beweglichen Kontakte 21 veränderlich gemacht sind.

Der Stromkreis des Solenoids enthält einen Schalter 22." Wenn dieser geschlossen ist, wird der Kern 15 des Solenoids nach unten gezogen, und es wird durch die Wirkung der Widerstände 20 die dem Solenoid aufgedruckte Spannung von einem Minimum bei Beginn bis zu der vollen Netzspannung an dem Ende des Hubes zunehmen. Durch die genauen Änderungen in den Widerständen 20 kann die Druckzunahme gemäß jeder gewünschten Kurve stattfinden.

Wenn der Draht 23 von dem Schalter mit. dem auf dem entgegengesetzten Ende der Kohtaktreihe gelegenen Kontakt 19 verbunden wäre, so würde bei Fortsetzung des Hubes eine schrittweise Abnahme der dem Solenoid aufgedrückten Spannung stattfinden. Diese könnte gerade ausreichen, um die natürliche Zunahme in der durch das Solenoid ausgeübten Kraft zu kompensieren, wenn der Kern in einem schrittweise zunehmenden Betrage in das Solenoid eintritt, derart, daß dem durch die Maschine ausgeübten Druck eine geradlinige Kurve gegeben wird. Die Anordnung könnte auch so sein, daß eine Abnahme im Druck eintritt.

Abb. 3 ist ein Diagramm, welches den Luftspalt in Millimeter und den auf das Solenoid ausgeübten Zug in Kilogramm veranschaulicht. Die Druckkurve A ist eine typische Kurve, die in den meisten Fällen gewünscht wird. Sie kann durch eine entsprechende Ausbildung der beschriebenen Widerstände gesichert werden. In Abb. 2 ist ebenfalls ein Solenoid für sich veranschaulicht, das ohne die Verwendung von veränderbaren Widerständen in seinem Stromkreis eine solche Kurve ergibt. Eine unmagnetische Hülse 24 trägt eine Drahtwicklung 25 von solcher Größe, daß die magnetische Sättigung mit der Spannung des elektrischen Stromkreises zweckmäßig mit einem Luftspalt gewisser Größe, z. B. 25 mm, gesichert wird. Die achsiale Länge der Spule beträgt annähernd das Doppelte ihres .Außendurchmessers und viermal ihren Innendurchmesser. Ein magnetisches Joch 26 aus weichem Eisen erstreckt sich um die Außenseite der Spule zwischen ihren Enden, weist an dem oberen Ende eine Öffnung für eine unmagnetische Metallbüchse 27 auf und trägt an seinem unteren Ende einen Kern 28 aus weichem Eisen, der in das Innere der Spule eingreift. Die Enden des Kolbens 15 sowie der Kern 28 sind so geformt, daß sie eine etwas größere Fläche als der wirkliche Querschnitt dieser Teile ergeben.

Das verwendete Solenoid kann eines für Gleichstrom oder Wechselstrom sein, wobei gleiche Methoden zur Änderung des Druckes in irgendeinem Fall benutzt werden.

Wenn für die Arbeit der Druck eines solchen Solenoids bei der vollen Netzspannung zu groß ist, kann er dadurch verringert werden, daß man das aufgedrückte Potential durch eine Reihe von Widerständen oder durch andere Mittel niedriger macht. Wenn der Druck nicht groß genug ist, können zwei oder mehrere Solenoide verwendet werden. In irgendeinem Fall kann man zwei oder mehrere Solenoide verwenden mit Anordnungen zu ihrer Verbindung mit der Leitung entweder parallel oder in Reihe oder in gemischter Schaltung, wodurch in den Apparaten eine sehr wirksame veränderliche Druckreihe erzeugt wird.

Die für ein solches Solenoid in Abb. 3 veranschaulichte Kurve A gibt an, daß bei einem Luftspalt von ungefähr 125 mm der Druck etwa 675 kg beträgt, der bei einem Luftspalt von 25 mm auf etwa 1300 kg steigt. Bei gewissen Schweißarten wird ein längs dieser Kurve zunehmender Druck eine Schweißung mit geringstem Kraftaufwand und geringstem •Stromstoß erzeugen. Bei anderen Schweißarten ist zur Erzielung der besten Ergebnisse eine andere Druckkurve erforderlich. Für die Schweißung von Messing würde eine Kurve B mit sehr schnellem Anstieg bei Beginn und folgendem konstanten Druck besser sein. In anderen Fällen ist eine Kurve C mit praktisch konstantem Druck von Beginn an wünschenswert. Durch genaues Entwerfen des Solenoids oder der Regelungsmittel oder beider kann ein Druck gesichert werden, der sich längs irgendeiner gewünschten Linie verändert.

Es ist bereits angegeben worden, daß ein verringerter Widerstand an der Verbindungsstelle einen erhöhten Schweißstrom zur Folge hat. Die Druckänderungen und die daraus folgenden Widerstandsänderungen werden daher allein eine Änderung in dem Stromfluß hervorrufen. Es ist aber vorzuziehen, den Schweißstrom für sich zu regeln und so eine größere Arbeitsanpassung zu gewährleisten, als es durch Veränderung des Druckes allein der Fall sein würde. Für diesen Zweck ist, wie Abb. 1 zeigt, noch ein Arm oder Träger 29 vorgesehen, der mit dem Kern des Solenoids oder mit irgendeinem anderen geeigneten bewegbaren Teil verbunden ist und einen Eisenkern 30 trägt, der in eine Spule

31 des Primärstromkreises des Schweißtransformators hineinbewegt werden kann. Bewegt sich der Kern 15 in das Solenoid hinein, so wird der Eisenkern aus der Drosselspule 31 zurückgezogen, was eine Zunahme des Stromes beim Schweißen zur Folge hat. Durch geeignete Veränderung der Verbindung kann der Kern 30 auch so gemacht werden, daß er sich in die Spule hineinbewegt und den Schweißstrom verringert, wenn die Arbeit fortschreitet.

Es ist zweckmäßig, eine besondere Vorrichtung zu benutzen, mittels welcher' man die Größe der Zu- oder Abnahme des Stromes beliebig verändern kann. Eine solche Vorrichtung ist in Abb. 2 veranschaulicht worden. Hier ist der Arm 29 mit einem Hebel 33 verbunden, der an seinem Ende ein Zahnsegment 34 trägt, das in ein Zahnrad 35 auf der Welle eines Exzenters 36 eingreift, das selber gegen eine Stange 37 aus nicht magnetischem Material wirkt, die das Ende des Eisenkernes 30 bildet. Wenn das Schweißen aus der veranschaulichten Lage fortschreitet, wird der Kern 30 aus seiner Spule bewegt und der Schweißstrom um einen Wert erhöht, der von dem Umriß des Exzenters abhängt. Für verschiedene Operationen können andere als das dargestellte Exzenter verwendet werden, wodurch man die Größe der Beschleunigung oder der Verminderung des Stromes regeln kann. Diese Außenregelung ermöglicht es, den Strombedarf längs jeder gewünschten Kurve zu regeln.

Nachdem die verschiedenen Teile der Vorrichtung beschrieben worden sind, bleibt nur noch übrig, die Verwendungsart "derselben zu erklären. Wenn eine Anzahl gleicher Schweiriungen ausgeführt werden soll, so; müssen die Regelungseinrichtungen der Vorrichtung auf die wirksamsten Schweißverhältnisse eingestellt werden. Ein geschickter Schweißer kennt den annähernden Betrag sowie die Kurve des Druckes und des Stromes,.die eine gute Schweißung gewährleisten. Die Konstanten des Druck- (Solenoid-) Stromkreises und des Schweißstromes, d. i. der Druck bei Beginn und am Ende sowie der Schweißitrom bei Beginn und am Ende, werden dann in verschiedener Weise durch genaues Einstellen der Regeleinrichtungen geändert, die Schweißung bei jeder Einstellung gemacht und der Kraftbedarf für jede Schweißung gemessen. Einige solcher Versuche für alle neuen Fälle werden zeigen, welche Einstellung der Schweißvorrichtung den geringsten Strombedarf erfordert, und diese Einstellung ist die richtige. Eine Änderung der den Druck oder den Strom regelnden Vorrichtungen in irgendeiner Richtung von der so ausgewählten Einstellung wird den Kraftbedarf zum Schweißen erhöhen. Ein erfahrener Schweißer wird die beste Einstellung nach sehr wenigen Proben bestimmen.

Der Energiebedarf für den Schweißer kann durch bekannte Mittel gemessen werden. Wenn die Schweißzeit nicht zu kurz ist, kann ein empfindlicher Wattstundenmesser benutzt werden oder, wenn die . Schweißung sehr schnell ist, ein Oszillograph. Das Oszillogramm zeigt eine Stromkurve sowie eine Potentialkurve. Aus augenblicklichen Werten des Stromes und Potentials wird eine Energiekurve gebildet. Die Fläche der Kurve wird integriert, um den Kraftbedarf für die Vorrichtung zu erhalten. Der Stromstoß kann von der Stromkurve an dem Oszillogramm oder bei einer langsamen Schweißung von einem Amperemeter, festgelegt werden.

Die Erfindung ist als eine Neuerung beim elektrischen Schweißen beschrieben worden. Dieselben Nachteile der Unwirksamkeit und Belästigung oder gefährlichen Stromerhöhungen treten bei gewissen "analogen Vorgängen, z. B. Nieten, Schmieden und anderen Arbeiten, auf, bei denen das zu formende Metall durch den Durchgang eines elektrischen Stromes weich gemacht wird, besonders dort, wo ein sehr schnelles Arbeiten beabsichtigt ist. Für solche Operationen ist die Vorrichtung zur Regelung des auf das Werkstück ausgeübten Druckes: sowie des Schweißstromes vorteilhaft zu verwenden.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zur elektrischen Widerstandsschweißung, insbesondere unter Anwendung sehr kurzer Stromstöße außerordentlich hoher Stromstärke, gekennzeichnet durch eine selbsttätig in Wirkung tretende elektrisch angetriebene Vorrichtung, die während der Schweißung den Druck auf die zu schweißenden Werkstücke in einer für die jeweilige Schweißarbeit vorher als vorteilhaft festgestellten Weise ändert und zugleich ein die Energiezufuhr zum Schweißtransformator regelndes Organ steuert.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.

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