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Einrichtung zur Erzeugung einer der Schweißspannung überlagerten Hochfrequenzspannung
Es ist bekannt, daß man beim Lichtbogenschweißen mit Wechselstrom durch Verwendung
von Zusatzgeräten, die einen Wechselstrom hoher Frequenz und Spannung erzeugen,
die Stabilität und Zündung des Wechselstromlichtbogens wesentlich verbessern kann.
Auch Einrichtungen zur Erzeugung von hierfür geeigneten Hochfrequenzspannungen sind
an sich bekannt. Am einfachsten erfolgt (lies in einem Gerät, bestehend aus einem
Ilochspannungstransformator in Verbindung mit einer Funkenstrecke, einem Kondensator,
Selbstinduktion und Drosselspule.
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Da die Ausführung solcher Einheiten au sich bekannt ist, sind dieselben
im folgenden nicht im einzelnen dar-estellt, sondern lediglich mit Hf-G bezeichnet.
Der Verlauf der zur Ionisierung dienenden Hochfrequenzspannung ist in Fig. i für
vollständig geöffneten Schweißstromkreis dargestellt. @Es entsteht eine gedämpfte
Schwingung mit bestimmter, durch die Induktivität L und die Kapazität C im Hochfrequenzteil
bestimmter Frequenz. Die Spannungsamplitude der ersten Halbwelle wird so hoch gewählt,
daß etwa 2 mm Luftweg zwischen den Elektroden durchschlagen werden. ti ist die Periodenfolge
der einzelnen Funkenüberschläge. Je dichter diese Funkenfolge, also je kleiner t,
ist, um so besser wird die Luftstrecke ionisiert.
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Bei den meist verwendeten Geräten dieser Art wird der Hochfrequenzgenerator
primärseitig mit
einer Wechselspannung gespeist. Hierbei zeigt sich,
daß die Funkenstrecke, welche ja den Hochfrequenzteil erst anregt, nicht kontinuierlich
arbeitet, sondern nur, solange die Spannungskurve hinreichend hohe Werte durchläuft.
In der. Nähe des Phasenwechsels, also während der Zeit t. in Fig. 2 a, setzt dagegen
die Funkenfolge aus, sobald der Spannungswert U.;" (Fig. 2b) für die Überschlagsspannung
nicht erreicht ist oder unterschritten wird.
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Ein besonderes Ziel der Erfindung liegt nun darin, diese Pausenzeit,
während (welcher keine Hochfrequenzspannung erzeugt wind, in eine solche Phase des
Schweißvorganges zu legen, wo dieselbe nicht benötigt wird. Wenn nämlich die Hochfrequenzspannungserzeugung
zeitlich nach Fig.2a und der Schweißstromverlauf nach Fig. 21) verläuft,
so setzt gerade während des Stromnulldurchgangs (bei b) auch die Hochfrequenzerzeugung
für die Dauer der Zeit t. aus; also gerade in der kritischen Zeit, wo dieselbe die
Zündung verbessern soll, ist sie gar nicht vorhanden.
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Aus diesem iGrunde soll erfindungsgemäß die Erzeugung der Hochfrequenzspannung
entsprechend der Darstellung nach Fig. 3 b auf,die Zeit des Nulldurchgangs vom Schweißstrom
(Fig. 3 a) zusaminengedrängt werden. Hiermit ist praktisch eine sichere Zündung
und Aufrechterhaltung des Lichtbogens gewährleistet, und ;während der Zeit der Stromamplitude
kann eine längere Pause in der Hochfrequenzerzeugung eintreten. Dies ist aus dein
Grunde erwünscht, weil dadurch der unverineidliche Verschleiß der Funkenstrecke
erheblich herabgesetzt wird. Außerdem ist man dann in der Lage, während der Zeit
des Phasenwechsels die Funkenfol-ge für kurze Zeit entsprechend intensiver zu gestalten.
Entsprechend der intensiven Funkenstärke ist ein besonders wirksamer Hochfrequenzschutz
für den Schweißtransformator nötig.
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Die gewünschte Wirkung läßt sich dadurch erreichen, daß als Primärspannung
für die Hochfrequenzerzeugung eine solche mit entsprechender Phasenverschiebung
gegenüber dem Schweißstrom gewählt wird. iDies ist z. B. der Fall, wenn, wie in
Fig. 5 dargestellt, der Hochfrequenzgenerator an der Phasenspannung, d.. h. zwischen
Phase und Sternpunkt (Erde) liegt, .während der Schweißtransformator primärseitig
zwischen die Phasen R und S, also an die verkettete Spannung geschaltet ist.
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Bei den bisherigen Hochfrequenzgeräten wurde die Verwendung eines
Parallelwiderstandes R zur Sekundärwicklung des Schweißtransformators gemäß Fig.4
vorgeschlagen. Trotz eines solchen hat sich jedoch gezeigt, daß im Laufe einer gewissen
"Zeit Zerstörungen der Isolation d er Transformatorwicklungen auftreten. Dieselben
werden nicht allein durch die hohen, während der Leerlaufzeiten an den Trans:fqrmatoranschlüssen
liegenden Spannungswerte, sondern insbesondere durch die dielektrischen Einwirkungen
der Hochfrequenz verursacht.
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Zur Erzielung einer dauernden Betriebssicherheit der Schweißanlage
wird daher erfindungsgemäß ein Sperrkreis gemäß Fig. 5 so in den Stromkreis gelegt,
daß an die Transformatorspule S keine Hochspannung hingelangen kann. Ein solcher
Sperrkreis besteht in an sich bekannter Weise aus einer Selbstinduktion L, und einer
parallel geschalteten Kapazität Cs. Die Größenverhältnisse sind hierbei so gewählt,
daß der Schweißstrom von der Netzfrequenz bequemhindurchfließen kann. DieParallelkapazität
C, wird st) gewählt, daß die Scheinwiderstände
und cu - L, für die Kreisfrequenz (= 2;Tf) des Hochfrequenzapparates abgestimmt
sind. Das Verhältnis von L und C wird hierbei so gewählt, daß der resultierende
Scheinwiderstand des Sperrkreises eine hinreichend hohe Bandbreite für das Sperrkreisglied
ergibt, so daß die stark gedämpften Hochfrequenzentladungen mit Sicherheit abgesperrt
werden. iDie durch solche Geräte unvermeidlichen Rundfunkstörungen lassen sich durch
einen zur Wicklung parallel geschalteten Schutzkondensator C2 wirksam beseitigen.
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Eine andere Möglichkeit, die Zerstörung der Wicklungen .durch die
andauernde Einwirkung der Hochfrequenzspannungen iwährend der Schweißpausen zu vermeiden,
liegt darin, daß bei längerer Pausenzeit, z. B. nach einer Sekunde, das Zündgerät
-durch ein an sich bekanntes Verzögerungsrelais außer Betrieb gesetzt wird.
Will der Schweißer nach einer längeren Pause, z. B. Elektrodenwechsel, wieder zünden,
so wird durch einen Berührungskurzschluß automatisch das Gerät wieder in Betrieb
gesetzt.
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Das spezielle Ziel der Erfindung liegt jedoch darin, entsprechend
Fig. 3 b die Hochfrequenzerzeugung auf die kritischen Phasen des Stromnulldurchgangs
während des Schweißens zusammenzudrängen. Hierbei wird die Erscheinung ausgenutzt,
daß gemäß Fig. 6,die Lichtbogenspannung keinen sinusförmigen Verlauf @wie der Strom
a., sondern einen Verlauf nach Fig.6b bzw. 6c hat. Ist die Luftstrecke gut ionisiert,
wie z. B. bei umhüllten Elektroden, so ist der Verlauf annähernd rechteckig, b;
bei schlecht ionisierter Luftstrecke, wie sie auch während des Zündens besteht,
also solange noch kein Schmelzbad da ist, treten nach jedem Stromnulldurchgang sog.
Rückzündungsspitzen auf. Bei einem Schweißgerät, das zur Bereitstellung dieser Rückzündungsspannungen
nicht in der Lage ist, erlischt der Lichtbogen, bzw. er zündet nicht. Die mit Rücksicht
hierauf .relativ hohen Leerlaufspannung,-en der Schweißtransformatoren können erheblich
gesenkt werden, wenn es gelingt, die kritischen Rückzündungen anderweitig durch
die Hochfrequenzüberlagerung zuverlässig einzuleiten.
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Die Erfindung geht nun davon aus, den plötzlichen Spannungsumsprung
während des Nulldurchgangs .des Schweißstroms zur Auslösung einer hochfrequenten
Spannungsüberlagerung auszunutzen. Wenn man die Spannungskurven b oder c nach der
analytischen Methode von Fourier in Harmonische auflöst, so stellt sich der Umsprung
der
Spannung während des Phasenwechsels als Teil einer Sinusschwingung
hoher Frequenz dar (vgl. Fig.7a), wo ,die Gesamtschwingung punktiert angezeigt ist.
Bei der Analyse des Spannungsverlaufes nach Fig.6c wird auch die Rückzündungsspannungsspitze
von diesem Oberwellenschwin= gungszug mit erfaßt (Fing. 7b); die ,Frequenz desselben
liegt über 104 Hz. Erfindungsgemäß soll diese Oberwelle aus der iGrundwelle niedrüger
Frequenz ausgesiebt und zu der Erzeugung von Hochfrequenzzündimpulsen ausgenutzt
werden.
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Ein Ausführungsbeispiel hierfür besteht in der Anordnung nach Fig.8.
Dabei wird ein Hochspannungstransformator Hsp.-Tr mit seiner Primärwicklung unter
Vorschaltung eines Kondensators C, parallel zu den Schweißelektroden gelegt. C,
ist so bemessen, daß die Netzfrequenzspannung (SO I-Iz) nur stark abgeschwächt auf
den Transformator Hsp.-Tr,wirkt, und infolgedessen wird in demselben sekundärseitig
nur eine geringe ,Spannung von Netzfrequenz erzeugt.
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Bei einem an dieselbe angeschlossenen Funkenstreckengenerator, der
liochfrequenzseitig in bekannter Weise zu den Schweißelektroden parallel geschaltet
ist, spricht daher, solange die sin.usffirmige Leerlaufspannung von 5o Hz primärseitig
wirksam ist, die Funkenstrecke nicht an, und die Erzeugung von Hochfrequenzspannung
bleibt aus.
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Während des Schweißens bzw. des Zündvorgangs, wo der Spannungsverlauf
gemäß Fig.7b bz-. 7 a auftritt, rieht beim Phasenwechsel der hochfrequente Schwingungszug
durch den Kondensator C" und transformiert im Hochspannungstransformator eine hinreichende
Spannung zur Betätigung der Funkenstrecke. Somit wird also erreicht, daß gerade
in dem kritischen Augenblick, wo es nötig ist, die Hochfrequenzzündung arbeitet.
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Dasselbe kann nach der Anordnung von Fig.9 erreicht werden. Hierbei
ist der Hochspannungstransformator primärseitig andieSchweißklem,men, also zum Lichtbogen
parallel geschaltet und sekundärseitig an eine Kapazität C3 und einen Widerstand
U'1 angeschlossen. Dabei sind C3 und W1 so bemessen, daß während des gewöhnlichen.,
d. h. sinusförmigen Netzfrequenzspannungsverlaufes (bei Leerlauf) derGesamtwert
der Sekundärspannung im wesentlichen am Kondensator liegt und nur ein kleines Potential
am Widerstand W1 auftritt. Die zu W1 parallel geschaltete Funkenstrecke des Generators
H-FG spricht hierbei nicht an. Treten dagegen während des Schweißens die schnellen
Umkehrspannungsstöße auf (Fig.7), so werden dieselben im Hochspannungstransformator
mit gleichem Verlauf transformiert und es entsteht am Widerstand W1 ein so hohes
Potential, daßdieFunkenstrecke imiHochspannungsgerätHf-G anspricht und damit die
Zündfrequenz erzeugt wird. Der Vorteil dieser Anordnung liegt .darin, claß nur während
der Stromnulldurchgänge während kurzer ':Momente das Hochfrequenz,gerät arbeitet
und daher eine außerordentliche Lebensdauer der Funkenstrecke gewährleistet ist.
Für diese kann daher eine normale Zündkerze, wie sie für Automotoren in betriebssicherer
Ausführung entwickelt ist .und allgemein iverwendet wird, benutzt werden. Außerdem
ist es möglich, das Ansprechen der Hochfrequenzzündung auf ,das Eintreten der Spannungskurve
nach Fig. 6c, wo die Rückzündungsspitzen auftreten, zu beschränken.; denn speziell
in diesen Fällen wird die Zündung nötig, während bei igut ionisierter Luftstrecke,
wo die Kurvenform b eintritt, dies im allgemeinen nicht erforderlich ist.
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In die Zuleitung vom Schweißtransformator zu der Schweißelektrode
'kann bei den Anordnungen nach Fig. 8 ,und 9 ebenfalls der Sperrkreis nach Fig.
5 eingeschaltet @werden, welcher die hochfrequente Hochspannung von der Sekundärwicklung
des Schweißtransformators und dem dieser Wicklung parallel geschalteten Eingangstransformator
fernhält.