DE832463C - Einrichtung fuer Lichtbogenschweissung - Google Patents

Einrichtung fuer Lichtbogenschweissung

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DE832463C
DE832463C DEJ1720A DEJ0001720A DE832463C DE 832463 C DE832463 C DE 832463C DE J1720 A DEJ1720 A DE J1720A DE J0001720 A DEJ0001720 A DE J0001720A DE 832463 C DE832463 C DE 832463C
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Germany
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welding
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DEJ1720A
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English (en)
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Alanson U Welch Jun
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General Electric Co
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General Electric Co
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00Arc welding or cutting
    • B23K9/10Other electric circuits therefor; Protective circuits; Remote controls
    • B23K9/1006Power supply
    • B23K9/1012Power supply characterised by parts of the process
    • B23K9/1025Means for suppressing or reducing DC components in AC arc welding installations

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Description

  • Einrichtung für Lichtbogenschweißung Die Erfindung bezieht sich auf die Schmelzschweißung von Metallen mittels eines Wechselstromlichtbogens. Obwohl sie bei der Schmelzschweißung aller Metalle angewendet werden kann, ist die Erfindung besonders vorteilhaft bei Anwendung zur Schmelzschweißung von Aluminium und seinen Legierungen oder von Metallen und Legierungen ähnlich Aluminium und seinen Legierungen.
  • Bisher war es üblich, beim Schmelzschweißen von Aluminium mittels der Gasbrennerflamme oder des elektrischen Lichtbogens feste Flußmittel zu verwenden, um den anhaftend zähen, hitzebeständigen Oxydfilm aufzulösen, der während der Schweißbehandlung gebildet wird. Die Anwendung eines solchen Flußmittels ist mit den Kosten verbunden, die sich daraus -ergeben, <laß alle in Berührung mit ihm gelangenden Flächen vollkommen gereinigt werden müssen, um eine schädliche Korrosion bei Zutritt von Feuchtigkeit zu vermeiden. Wenn in oder an der Schweißstelle ein Flußmitteleinschluß vorkommt, leidet die Qualität der Schweißstelle, nicht so sehr durch den Einschluß selbst, als durch die durch ihn herbeigeführte Korrosion.
  • Es ist vorgeschlagen worden, die. Schmelzschweißung von Aluminium mit dem zwischen einer Wolframelektrode -und dem Aluminium erzeugten Lichtbogen in einem Schutzgas durchzuführen, welches aus der aus Argon und Helium bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
  • Wenn der Lichtbogen aus einer Gleichstromquelle gespeist wird, hat es sich als ,notwendig erwiesen, die Wolframelektrode mit der positiver Klemme dieser Quelle zu verbinden, da, wenn die Wolframelektrodt an ihre negative Klemme angeschlossen wird, der obererwähnte Oxydfilm nicht aufgebrochen und,, obwohl eine große Wärmemenge in dem Aluminium freigemacht wird, d'ie Verschmelzung von zwei Teilen zur Bildung einer Schweißverbindung von dem Lichtbogen nicht ohne die Anwendung eines Flußmittels erreicht wird. Beim Schweißen mit Gleichstrom und negativer Elektrode geht der Lichtbogenstrom durch den Oxydfilm, ohne ihn offensichtlich zu unterbrechen, und die sich ergebende Schweißraupe hat eine breite Schmelzzone mit einer schwarzen, schmalen Lichtbogenspur bis in ihre Mitte hinunter.
  • Wenn jedoch die Wolframelektrode mit der positiven Klemme einer Gleichstromquelle verbunden ist, wird eine helle spiegelartige Fläche von geschmolzenem Aluminium unter Verhältnissen gebildet, die für die Herstellung einer gewünschten Schweißverbindung zufriedenstellen.d ist. Wenn die Elektrode positiv ist, wird der Oxydfilm auf dem Aluminium in einer Atmosphäre von Argon bzw. Helium mit Erfolg ohne die Anwendung eines festen Flußmittels zerteilt. Beim Schweißen mit positiver Elektrode wird indessen das Ende der Wolframelektrode sehr heiß und bildet eine geschmolzene Kugel, wenn auch der Schmelzpunkt von Wolfram .sehr hoch ist. Außerdem muß ein sehr kurzer Lichtbogen von weniger als too Minizoll aufrechterhalten werden, um die Hitze zu konzentrieren und den Bogen zu stabilisieren. Bei dieser kurzen Lichtbogenlänge kann die geschmolzene Kugel an dem Ende der Elektrode durchhängen und Glas Aluminium berühren, wodurch nicht nur die Schweißstelle verunreinigt, sondern auch der- Lichtbogen äußerst unruhig und so die Schweißoperation schwierig gemacht wird. Wein ein langer Lichtbogen benutzt wird, entsteht auf der Oberfläche der Schweißstelle eine graue Schlacke. .Als eine allgemeine Regel wird bei Schutzgasen von Argon und Helium, je kurzer der Gleichstromlichtbogen mit positiver Elektrode ist, der Lichtbogen um so stabiler und die dabei erzeugte Schweißung um so besser.
  • Die Schwierigkeiten, auf welche man bei der Benutzung eines Gleichstrombogens zum Aluminiumschweißen in Schutzgasen von Argon und Helium stößt, können durch Anwendung eines Wechs@elstromlicbtboge.ns vermieden werden, der aus einer Quelle von gebräuchlicher Frequenz, gewöhnlich 6o Hz, gespeist wird, vorausgesetzt, daß die Spannung der Speisequelle bei geöffnetem Kreis geniigend groß ist.
  • Beim Aluminiumschweißen mit Wechselstromlichthogen in Argon oder Helium wurde festgestellt, daß jederzeit in einem größeren oder geringeren, von den Schweißbedingungen abhängigen Grad eipe Gleichrichtung des Stromes eintritt. Das Ausmaß der vorhandenen Gleichrichtung und die Richtung des Stromflusses schienen zu bestimmen, ob der Oxydfilm auf dein Aluminium zerteilt wurde oder nicht. Wenn eine geringe oder gar keine Gleichrichtung auftrat, schien der Oxydfilm zerteilt zu werden, wenn jedoch eine vollständige Gleichrichtung auftrat, wurde der Oxydfilm nicht zerteilt, und die Schweißung konnte ohne festes Flußmittel nicht durchgeführt werden. In Argonatmosphäre hat es sich als notwendig erwiesen, eine Wechselstromquelle zu verwenden mit Spannungen des offenen Kreises über 145 V, vorzugsweise über 200 V, um die gewünschten Sehweißbedingungen herzustellen. In Helium hat es seich als notwendig erwiesen, eine Wechselstromquelle mit Spannungen des offenen Kreises über 28o V, vorzugsweise über 380 V, zu verwenden. Bei diesen erforderlichen Spannungen des offenen Kreisces trat eine geringe Gleichrichtung des Lichtbogenstromes auf, und eine reine, spiegelartige Schweißfläche konnte erzielt werden, die zur Ausbil.d!ung einer befriedigenden Schweißverbindung führt. Wenn Spannungen des offenen Kreises unter diesen Werten angewendet wurden, trat eine vollständige Gleichrichtung des Lichtbogenstromes ein, und die erzielte Schmelzraupe zeigte dieselbe eigentiimlich breite Schmelzzone mit einer dunklen, schmalen Lichtbogenspur in der :Mitte, wie bei Verwendung einer Gleichstromquelle mit negativer Elektrode. Es ist kaum nötig, darauf hinzuweisen, daß diese hohen bei offenem Kreis den Sehweißer einer unerwünschten Berufsgefahr aussetzen und auch die Kosten für das Schweißgerät erhöhen, welches für die Schweißarbeit benötigt wird. Außerdem wird die Gleichstromkomponente des Stromflusses durch den Lichtbogen und die Wechselstromquelle eine unerwünschte Erwärmung des als Speisequelle verwendeten Gerätes hervorrufen und zugleich seine Nennleistung vermindern.
  • Ferner wurde die Gleichricbterwirkung eines Wechselstrombogens in :'Nrgon und Helium auch beim Schweißen von anderen 'Metallen festgestellt, und sie ist folglich nicht :'Nluminium und seiner Legierungen eigentümlich. Es kann angenommen werden, daß diese Gleichrichterwirkung als eine Folge des Unterschiedes der Elektronenemissionsfähigkeit der Elektroden hei den Temperaturen auftritt, die durch :den Betrieb eines Wechselstromlichtbogens erzeugt werden. Dieser Unterschied der Elektronenernissionsfähigkeit im Falle von-Aluminium und seinen Legierungen kann in weitem Maße durch die Ausbildung des obererwähnten Oxydfilms auf der Oberfläche des Werkstückes während des Schweißens bestimmt werden. Dieser Oxydfilm oder sein Äquivalent kann auf dem Werkstück auch vorhanden sein, wenn andere Metalle als Aluminium und seine Legierungen geschweißt werden. Ein solcher Unterschied in den Elektronenernissionsfähigkeiten der Elektroden eines Wechselstrombogens könnte die Erzeugung einer wesentlichen Gleichstromkomponente des Stromflusses durch 'den Bogen erklären. Im Falle von Aluminium und' seinen Legierungen wird diese Gleichstromkomponente von dem Aluminium und seinen Legierungen zu der Wolframelektrode fließen.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verbesserung der Schweißeigenschaften eines W echselstromlichtbogens, der zwischen Elektroden hergestellt ist, die als Folge der bei der Verwendung dieses Lichtbogens herbeigeführten Arbeitsbedingungen wesentlich verschiedene Elektronen emissionsfähigkeiten haben.
  • Weiterhin bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Verfahrens und einer Einrichtung zum Schweißen von Aluminium und seiner, Legierungen mit einem Wechselstromlichtbogen, der zwischen einer Wolframelektrode und dem Aluminium und seinen Legierungen in einem Schutzgas von Argon oder Helium bei Verwendung von Spannungen des offenen Kreises unter 145 V hergestellt wird.
  • Ferner bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Verfahrens und einer Einrichtung zur Herstellung eines Wechselstromliichtbogens mit gewünschten Schwveißeigensc'haften zwischen Elektroden, die als Folge der bei Verwendung des Bogens hergestellten Lichtbogenbedingungen wesentlich verschiedene Elektronenemissionsfähigkeiten haben, indem in seinem Stromkreis polarisierende Mittel vorgesehen werden, um der Neigung des Lichtbogens, eine Gleichstromkomponente des Stromflusses in dem Schweißkreis zu erzeugen, vorzubeugen oder entgegenzuwirken und sie vorzugsweise auf Null zu vermindern.
  • Schließlich bezweckt die Erfindung, über einen Transformator mit hoher Reaktanz, dessen Magnetkern bei dem Gleichstromfluß durch seine Sekundärwicklutig gesättigt wird, einen Wechselstromlichtl>ogen zu speisen, der zwischen Elektroden hergestellt wird, die als Folge der hei Verwendung des Bogens hergestellten Lichtbogenbedingungen wesentlich verschiedene Elektronenemission @sfähigkeiten haben, durch Verwendung von polarisierenden Mitteln, die in den Schweißkreis in Reihe mit dem Lichtbogen geschaltet werden, um der Neigung des Lichtbogens, eine Gleichstromkomponente des Stromflusses in dem Schweißkreis und der Sekundärwicklung dieses Transformators mit hoher Reaktanz zu erzeugen, vorzubeugen oder entgegenzuwirken und sie vorzugsweise auf Null zu vermindern.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergehen sich aus der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung.
  • Gemäß der Erfindung werden die Schweißeigenschaften eines Wechselstromlichtbogens und die Betriebseigenschaften seines Versorgungsstromkreises verbessert, indem man in dem Stromkreis des Lichtbogens polarisierende Mittel vorsieht, um der Neigung des I.ichtbogen@s, eine Gleichstromkomponente des durch ihn gehenden Schweißstromflwsses zu erzeugen, vorzubeugen oder entgegenzuwirken und sie vorzugsweise auf Null zu vermindern. Diese polarisierenden Mittel können eine Gleichstrombatterie oder andere Gleichstromquelle umfassen, die in den Schweißstromkreis in ,der passenden Richtung eingeschaltet List, um diesem Gleichstromfluß entgegenzuwirken, oder sie können Mittel zur Verminderung der Leitfähigkeit des Versorgungskreises des Lichtbogens während der Hall)wellen jener Polarität der Wechselstromquelle, bei der der Lichtbogen leitfähiger ist, umfassen. Die Verminderung der Leitfähigkeit des Schweißstromkreises kann durch Ver*enidung von Halbwellengleichrichtern durchgeführt werden, die umgekehrt parallel zueinander und in Reibe mit dem Lichtbogen geschaltet sind, wobei in den Stromkreis eines der Gleichrichter Mittel aufgenommen werden, um die Halbwelle jener Polarität des Wec:hselstromflusses durch den Schweißlichtbogen und den Schweißstromkreis zu vermindern, welche eine Neigung hat, größer zu sein als die Halbwelle des Schweißstromfluss@es der entgegengesetzten Polarität. Selbstverständlich können offenbar an Stelle dieser umgekehrt geschalteten Halbwellengleichrichter andere polarisierende Mittel verwendet werden, um den Halbwellen des Stromflusses jener Polarität selektiv entgegenzuwirken, bei der der Wechselstromfluß durch den Lichtbogen größer ist als während' der Halbwellen des Wechselstromflusses mit entgegengesetzter Polarität.
  • Gemäß ,der Erfindung kann ferner der Gleichstromfluß 'durch den Lichtbogen, seinen Schweißstromkreis und die Speisequelle beseitigt werden, indem man in Reihe damit einen Kondensator schaltet, welcher diesen Gleichstromfluß sperrt. Dieser Kondensator @iist vorzugsweise der Reaktanz der Quelle und des Schweißstromkreises angepaßt, um wenigstens Teilresonanz herzustellen, die die Betriebsstabilität des Schweißlichtbogens erhöht. In gleicher Weise kann die Stabilität des Uchthogens bei Verwendung der obenerwähnten polarisierenden Mittel erhöht werden, indem man einen Kondensator parallel zu dein Schweißstromkreis schaltet, um Stromstöße @in der Lichtbogenstrecke zu erzeugen, kurz nachdem der Wechselstrom durch Null geht. Vorzugsweise hat der Kondensator in bezug auf die Induktivität und -den .Widerstand des Schweißstromkreises zwischen ihm und, der Lichtbogenstrecke einen solchen Wert, daß Stromstöße in der Größenordnung des vollen Schweißstromes bei Frequenzen erzeugt werden, die viel größer sind als die Frequenz der Versorgungsquelle des Schwei ß st rom,es.
  • Bei Anwendung -der Erfindung zur Lichtbogenschweißung von Aluminium, einschließlich Legierungen von Aluminium und Metallen und Legierungen ähnlich Aluminium und .seinen Legierungen, wird der Wechselstromschweißlichtbogen zwischen der hitzebeständigen Metallelektrode, wie Wolfram, und dem Aluminium in einem Schutzgas hergestellt, das aus der aus Argon und Helium bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
  • Die Zeichnung zeigt eine gemäß der Erfindung ausgebildete Einrichtung.
  • In Feig. r bestehen diie polarisierenden Mittel aus einer durch eine in den Schweißstromkreis geschaltete Batterie gebildeten Gleichspannungsquelle.
  • F-ig. a und 3 zeigen die Schaltung des Kondensators zur Erzeugung von Stromstößen in der Lichtbogenstrecke, nachdem der Wechselstrom durch Null geht; in Fig. 3 sind ferner Schaltmittel dargestellt, um die in den Schweißstromkreis durch diese Gleich-spannungsquelle eingeführte Spanzlung einzustellen.
  • Fig.4 zeigt eine abgeänderte Ausführung der Erfindung, bei welcher die polarisierenden Mittel Halbwellengleichrichter umfassen, die umgekehrt parallel zueinander und in Reihe mit dem Lichttogen geschaltet sind, wobei einer der Gleichrichter in seinem Stromkreis Mittel enthält, um die Halbwelle jener Polarität des Wechselstromflusses durch den Lichtbogen zu vermindern, welche eine Neigung hat, größer zu sein als die Halbwelle des Wechselstromflusses der entgegengesetzten Polarität. In dieser Figur wurde auch die in Fig. 2 und 3 angewendete Kondensatorschaltung zur Erzeugung eines Stromflusses kurz nach dem Nulldurchgang des Wechselstromes dargestellt.
  • Fig.5 zeigt die Serienschaltung eines Kondensators zur Sperrung des Gleichstromflusses durch den Schweißstromkreis. Die mit diesem Kondensator verbundene Induktivität zur Erzeugung einer Resonanz oder Teilresonanz in dem Schweißstromkreis ist in Fig. 5 ebenfalls dargestellt «-orden.
  • Das in Fig. i gezeigte Gerät eignet sich für Aluminiumschweißen mit einem Lichtbogen, der zwischen einer Wolframelektrode und dem Aluminium in einem Schutzgas, wie Argon oder Helium, ausgebildet wird. Die Wolframelektrode i und das Aluminiumwerkstück 2 sind an die Klemmen eines die Leiter 3 und 4 enthaltenden Schweißstromkreises angeschlossen. Dieser Schweißstromkreis 3, 4 wird von einer geeigneten Wechselstromquelle gespeist und enthält eine Gleichspannungsquelle 5, welche eine solche Polarität und einen solchen Wert besitzt, daß sie der Gleichstromkomponente des Stromflusses in dem Schweißstromkreis und in dem zwischen der Elektrode i und dem Werkstück 2 ausgebildeten Lichtbogen entgegenwirkt und sie vorzugsweise bis zu \u11 vermindert. Da der zwischen einer Wolframelektrode und einem Aluminiumwerkstück in einem Schutzgas von Argon oder Helium erzeugte Lichtbogen eine Gleichstromkomponente 'des Stromflusses von dem Aluminiumwerkstück zu ,der Wolframelektrode erzeugt, erhält die Gleichspannungsquelle 5 eine diesem Stromfluß entgegenwirkende Polarität, d. h. sie wird in den Schweißstromkreis so geschaltet, daß ihre positive Klemme mit oder in Richtung zu der Elektrode und ihre negative Klemme mlit oder in Richtung zu dem Werkstück verbunden ist.
  • Obwohl gemäß der Zeichnung diie Batterie 5 in den Schweißstromleiter 4 geschaltet ist, kann sie auch in den Schweißstromleiter 3 geschaltet werden. Diese letztere Schaltung wird tatsächlich angewendet, wenn eine Klemme der Quelle geerdet ist und das Werkstück oder sein Träger ebenfalls geerdet und durch den Schweißstromleiter an die geerdete Klemme der Sc'hweißstromquelle angeschlossen wird, da andernfalls die Batterie über die Erdungsverhindungen kurzgeschlossen würde.
  • Bei der dargestellten Anordnung ist das Werkstück 2 in den Schweißstromkreis über -den Träger 6 geschaltet, auf welchem die zu schweißenden Aluminiumteile 2 gehalten werden, -,vobei ihre aneinanderstoßenden Ränder in der :litte liegen und sich längs einer in seiner Oberfläche vorgesehenen 111l° 7 erstrecken. Es ist selbstverständlich nicht notwendig, den Werkstoffträger finit einer Rille zu versehen. Um die gew iitisclite l:i»dringungstiefe der Schweißung zu erzielen, hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn die aneinanderstoßenden Ränder der Werkstückteile sich außer Berührung mit dem Träger, auf welchem sie angebracht sind, befinden.
  • Wie in Fig. i gezeigt, ist die Elektrode i in den Schweißstromikreis durch Vermittlung eines Gaslichtbogenbrenners 8 geschaltet. Die Elektrode i wird in diesem Brenner. durch die Backen eines federnden Futters 9 gehalten, welches an dem Ende eines Kupferrohres io angebracht ist, das seinerseits mit dem Schweißstromleiter 3 verbunden ist. Das Rohr io bildet auch ein Illittel für die Zuführung von Argon oder Helium um die Elektrode und geschmolzenen Teilchen des Werkstückes. Es wird von einer elektrisch isolierenden Hülse i i umgeben, die ihrerseits von einer metallischen Schutzhülse umgeben wird. Eine Düse 13 wird durch Reibungseingriff mit dem Ende der Hülse 12 gehalten und bildet eine das Ende des Rohres io abschließende und das darauf angebrachte Futter 9 einschließende Kammer. Das durch das Rohr io zugeführte Gas strömt in diese Kamtner durch mehrere Öffnungen 14 in den unteren Seitenwänden des Rohres io. Dieses Gas strömt aus der Spitze der Düse 13 um den Lichtbogenansatz der Elektrode i und' auf sowie um die von dem Lichtbogen geschmolzenen Teile des Werkstückes.
  • Die in Fig. i dargestellte Wechselstrotnquelle ist ein Transformator 15 mit 'hoher Reaktanz und evtl. einem Magnetkern, der durch einen Gleichstromfluß in seiner Sekundärwicklung gesättigt würde. Die Primärwicklung 16 dieses Schweißtransformators ist über Zuführungsleitungen 17 mit einer Wechselstromquelle verbunden, und seine Sekundärwicklung 18 ist in Reihe mit den Schweißstromleitern 3, 4 geschaltet. Diese Wechselstromquelle für die Primärwicklung des Schweißtransformators kann aus dem gewöhnlich verfügbaren Verteilungsnetz mit einem Strom von 6o Hz gebildet werden. Offenbar können auch andere Versorgungsquellen tnit Niederfrequenz benutzt werden.
  • Durch Verminderung der Gleichstromkomponente des Stromflusses in dem Schweißstromkreis durch 5 oder einer ähnlichen die Wirkung der Batterie Gleichsparinungsquelle wird es möglich, einen geeigneten Wechselstromliclitbogen für Aluminiumschweißen mit Spannungen des offenen Kreises von 75 bis 112 V herzustellen, die von der Sekundärwicklung 18 des Schweißtransformators 15 geliefert werden. Der Wert der Batteriespannung, die benötigt wird, um die Gleichstromkomponente des Stromflusses auf einen niedrigen Wert, vorzugsweise Null, zu vermindern, wird sich im weiten Maße gemäß den Liclitbogenbedingungen ändern, jedoch im allgemeinen in der Größenordnung von 2 bis io V liegen. Wenn z. B. der in Fig. i dargestellte Elektrodenhalter mit einer 1?lektrode von viel größeren :V>messungen verseben ist, als durch den in ihr fließenden \\-eclicel#trinn bedingt wird, oder wenn dieser Halter in geeigneter Weise gekühlt wird, um die Arbeitstemperatur der Elektrode herabzusetzen, wird die Gleichstromkomponente in dem Lichtbogen vermindert. Ohne Zweifel ist dies die unmittelbare Folge der geringeren Arbeitstemperatur der Elektrode und der sich daraus ergebenden Abnahme ihrer Elektronenemissionsfähigkeit bei Lichtbogentemperatur. In gleicher Weise wird viel von der Oberflächenbeschaffenheit des zu schweißenden Aluminiumwerkstückes abhängen. Die Stabilität des Lichtbogens wird erhöht, wenn die Oberfläche des zu schweißenden Aluminiums unmittelbar vor der Schweißarbeit mit Sandpapier gereinigt wird.
  • Durch Verminderung der Gleichstromkomponente des Stromflusses durch den Schweißstromkreis und die Sekundärwicklung des Schweißtransformators wird die Ausgangsleistung des Transformators auf seinen Nennwert zurückgeführt. Der Gleichstromfluß durch die Sekundärwicklung des Transformators hatte die Entnahme eines übermäßigen Primärstromes aus dem Starkstromkreis, an welchen seine Primärwicklung angeschlossen ist, zur Folge. Durch Einführung einer genügenden Gleichspannung in den Schweißstromkreis, um den Reststrom der Gleichstromkomponente des Schweißstromes nahe an Null zu halten, kann deshalb der Bedarf an kVA aus der Starkstromleitung herabgesetzt und die Erwärmung der Primärwicklung des Schweißtransformators erheblich vermindert werden. So wird bei einer geprüften Transformatortype, bei der eine Gleichstromkomponente von io Prozent des gesamten Schweißstromes auftritt. der Primärstrom des Schweißtransformators annähernd i io Prozent des normalen Wertes für den gesamten sekundären Schweißstrom. In gleicher Weise wird ein Gleichstromfluß von 20 Prozent annähernd 120 Prozent des Primärstromes und ein Gleichstromfluß von 30 Prozent annähernd 130 Prozent des primären Stromflusses hervorrufen.
  • Durch Verminderung der Gleichstromkomponente in dem Schweißstromkreis auf einen kleinen Wert werden außerdem die Arbeitseigenschaften des Schweißlichtbogens erheblich verbessert, und eine befriedigende Schweißung kann bei viel geringeren Wechselspannungen des offenen Kreises ausgeführt werden als sie andernfalls erforderlich wären. Prüfungen zeigen, daß es nicht nötig ist, dieGleichstromkomponente auf Null zu vermindern, da ihre Verminderung auf etwa 5 oder io Prozent des normalen Schweißstromes hinreichend zu sein .scheint. Eine Verminderung dieser Gleichstromkomponente erhöht den Wechselstromfluß während der Halbwelle, wo das Aluminium Elektronen emittiert, und vergrößert die Länge dieser Halbwelle etwas und daher auch die Emission aus dem Aluminium. Daraus ergibt sich, daß der Lichtbogen oben auf der Schweißstelle einen viel breiteren Weg bestreicht.
  • Es kann sein, daß die von dem Gleichstromfluß durch die Sekundärwicklung des Schweißtransformators bewirkte Sättigung eine Verminderung des Anstieges der Spannung verursacht, die immer, auftritt, wenn der Schweißstrom durch Null geht, und daß sie folglich eine Verminderung der Stabilität des Schweißlichtbogens hervorruft. Welches auch die Ursache sei, die Stabilität des Wechselstromlichtbogens wird verbessert, wenn man dien Gleichstromfluß in dem Schweißstromkreis beseitigt oder auf einen geringen Wert vermindert.
  • Es wurde festgestellt, daß die Betriebsstabilität des Schweißlichtbogens noch weiter erhöht werden kann, wenn man geringe Spannungen des offenen Kreises benutzt, indem man einen kleinen Kondensator quer zu den Schweißstromleitern schaltet. Es wurden Kondensatoren von i bis 16 Mikrofarad benutzt, die gemäß Fig. 2 ,geschaltet wurden, obwohl selbstverständlich höhere Kapazitätswerte dnter gewissen Umständen benötigt werden. Der Kondensator i9 ist parallel zu dem Schweißstromkreis in der Nähe der Ausgangsklemmen der Sekundärwicklung 18 des Schweißtransformators eingeschaltet. Sein Wert in bezug auf die Induktivität und den Widerstand des Schweißstromkreises 3, 4 zwischen ihm und der Lichtbogenstrecke zwischen der Elektrode i und dem Werkstück 2 ist so gewählt, daß starke Stromstöße in -der Lichtbogenstrecke erzeugt werden, kurz nach dem Nulldurchgang der Wechselstromquelle des Schweißstromes. Diese Stromstöße sind Schwingungen und treten mit einer hohen Frequenz auf, verglichen mit der Frequenz der Wechselstromquelle dies 'von dem Transformator 15 gelieferten Schweißstromes. Es hat sich als weniger wünschenswert erwiesen, den Kondensator i9 quer zu den Schweißstromleitern an einem Punkt anzuschließen, der dicht neben der Lichtbogenstrecke liegt. Es wird angenommen, daß eine derartige Schaltung äußerst hohe Frequenzen erzeugt, die durch ,deu bei höheren Frequenzen größeren effektiven Widerstand des Entladungskreises gedämpft werden, in welchem sie auftreten.
  • Da, wie oben dargelegt, die Höhe der Gleichspannung in dem Schweißstromkreis, die benötigt wird, um die Gleichstromkomponente des Stromflusses auf einen geringen Wert zu vermindern, mit dem Wechselstrom in dem Lichtbogen, mit der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstückes, mit der Erhitzung der Elektrode ebenso wie mit anderen Veränderlichen schwankt, ist es wünschenswert, daß Mittel zur Veränderung der Höhe der in den Schweißstromkreis eingeführten Spannung vorgesehen werden. In Fig.3 sind Schaltmittel dargestellt, um dies durchzuführen, wenn die Gleichspa@nnungsquelle eine Batterie ist. Wie in Fig.3 gezeigt, sind die Klemmen der Endzellen der Batterie mit Kontakten 2o verbunden, die einen Teil einer Schalteinrichtung mit zugehörigen Kontakten 2i bilden, die in den Schweißstromkreis 4 über Abzweigleitungen angeschlossen sind, wobei ein Widerstand 22 im einen Kreis mit einem der Kontakte 21 in einem der Abzweigleitungen eingeschaltet ist. Die Anordnung ist so getroffen, daß von einem Kontakt 2o auf einen anderen mittels der zusammenarbeitenden Kontakte 21 geschaltet werden kann, ohne den Schweißstromkreis zu öffnen. Während dieser Übergangsperiode beim Bewegen von einem Kontakt 2o auf einen anderen, wird die ein- oder ausgeschaltete Zelle über den Strombegrenzungswiderstand 22 kurzgeschlossen, und danach wird der Kreis über den Kontakt 21 im Kreis mit Widerstand 22 :geöffnet, nachdem die Verbindung des anderen Kontaktes 21 mit dem gewünschten Kontakt 2o hergestellt wurde.
  • In Fig. 3 ist die Sekundärwicklung 18 des Schweißtransformators 15 ebenfalls mit Abgriffen 23 versehen und eine einstellbare Verbindung 24. für die Änderung der Spannung der Sekundärwicklung des Transformators mit dem Schweißstromkreis 3, 4 verbunden worden.
  • Das in Fig. 4 gezeigte Gerät stimmt arbeitsmäßig mit dem in Fig. 2 gezeigten überein. An Stelle der Batterie 5, die verwendet wird, um die Gleichstrom= komponente des Stromflusses in dem Schweißstromkreis zu bekämpfen und vorzugsweise auf Null zu vermindern, ist in Fig. 4 in den Schweißstromkreis eine unsymmetrische Gleichrichterbrücke geschaltet, tim die Halbwelle jener Polarität des Wechselstromflusses durch den Liehtbogen zu vermindern, welche eine Neigung hat, größer zu sein als die Halbwelle des Wechselstromflusses mit entgegengesetzter Polarität. Diese Gleichrichterbrücke umfaßt Halbwellengleichrichter 25 und 26, die umgekehrt parallel zueinander geschaltet sind, und einen einstellbaren Widerstand 27, der mit einem von ihnen in Reihe liegt. Der Widerstand 27 ist mit dem Gleichrichter in Reihe geschaltet, welcher den Strom während der Halbwelle jener Polarität des Wechselstromflusses durch den Schweißstromkreis durchläßt, bei der die Leitfähigkeit des Lichtbogens größer ist als bei der Halbwelle des Wechselstromflusses der entgegengesetzten Polarität, die von dem Gleichrichter 25 durchgelassen wird. Wenn der Widerstand 27 richtig eingestellt ist, wird daher die starke Halbwelle des Stromflusses durch den Schweißstromkreis so vermindert, daß sie annähernd der kleineren Halbwelle gleich wird, und dadurch wird !die Gleichstromkomponente des Stromflusses, die sich aus den Gleichrichtereigenschaften des Lichtbogens ergibt, aus dem Schweißstromkreis und der Sekundärwicklung des Schweißtransformators 15 beseitigt. Diese Beseitigung der Gleichstromkomponente des Stromflusses wird, wie im Falle der vorhergehenden Figuren, die Schweißeigenschaften des zwischen der Elektrode 1 und dem Werkstück 2 hergestellten Lichtbogens verbessern.
  • In Fig. 5 ist ein Kondensator 28 in Reihe in den Schweißstromkreis geschaltet, um in ihm das Fließen eines Gleichstromes zu unterbinden. In Reihe mit dem Kondensator 28 ist eine Drossel 29 gezeigt, die verwendet werden kann, wenn die Reaktanz des Transformators nicht ausreicht, um in dem Schweißstromkreis ausreichende Resonanzverhältnisse zu schaffen.
  • Wie auch die Theorie sein mag, die Erfahrung hat gezeigt, daß die vorgesehenen Anordnungen beim Aluminiumschweißen befriedigend sind ohne die Anwendung eins festen Flußmittels, wie es bisher für notwendig befunden wurde, und ohne die Anwendung einer hohen Spannung bei offenem Kreis, wenn der Lichtbogen und die geschmolzenen Teile des Metalls durch ein Gas, wie Argon oder Helium, geschützt werden. Das durch die Erfindung geschaffene Gerät besitzt demnach zahlreiche Vorteile, verglichen mit den Geräten, die bisher zum Schweißen von Metallen, wie Aluminium und seine Legierungen, benutzt wurden. Es ist jedoch nochmals hervorzuheben, <laß die Erfindung nicht notwendigerweise auf das Schweißen von Aluminium und seinen Legierungen oder von ähnlichen etallen und ihren Legierungen beschränkt ist, da 1 die der Erfindung eigentümlichen Vorteile auch beim Schweißen von anderen -Metallen und Legierungen von erheblicher Bedeutung sind.
  • Wenn auch bei den in der Zeichnung wiedergegebenen der Erfindung nur drei Arten von polarisierenden Mitteln vorgesehen sind, können selbstverständlich auch andere elektrische Mittel, die dieselbe Funktionswirkung haben, an ihrer Stelle verwendet werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So kann beispielsweise die in Fig. 1 und 2 dargestellte Batterie durch eire Gleichstrommaschine von geeigneter Bauart ersetzt werden, uin den Schweißwechselstrom zu übertragen und eine Gleichspannung zu erzeugen, die der Gleichstromkomponente des Stromflusses in dem Scliw-eißstromlcreis entgegenwirkt. Eine solche dvnamoelektrische Maschine kann vorzugsweise eine Type mit veränderlicher Spannung und mit Mitteln zur Veränderung ihrer Ausgangsspannung verbunden sein, wodurch sie dlie in Fig. 3 gezeigte Anordnung zur Veränderung der Höhe der in den Schweißstromkreis eingeführten Gleichspannung ersetzt. In gleicher `''eise kann die unsymmetrische Gleichrichterbrücke der Fig. 4 durch gleichwertige elektrische @littel ersetzt werden. Diese Mittel können einen Stromkreis aufweisen, der gesteuerte Gleichrichter enthält und mit geeigneten Steuerstromkreisen verbunden ist, um ihre Leitfähigkeiten durch Zuführung von geeigneten Steuerspannungen an die .Steuerelemente dieser Gleichrichter zu steuern. Für den Fachmann ergeben sich weitere Anordnungen als Ersatz für die dargestellten Anordnungen und die Erfindung soll nicht auf die beschriebenen und dargestellten Mittel zur Polarisierung beschränkt sein.
  • Obwohl der Kondensator 19, wie in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt, aus den dargelegten Gründen näher am Schweißtransformator als an der Lichtbogenstrecke dargestellt ist, kann dieser Kondensator in den Stromkreis in jeder Weise eingeschaltet werden, die eine Steigerung der Elektronenemissdonsfähigkeit einer oder beider Elektroden des Schweißlichtbogens ergibt. Es wurde festgestellt, -daß die Änderung des Wertes des verwendeten Kondensators eine gewisse Wirkung auf den Gleich:stromfluß in dem Schweißstromkreis hat. Es ist folglich erwünscht, den Wert dieses Kondensators veränderlich zu machen, um eine Betriebsbedingung zu erreichen; bei welcher der Gleichstromfluß durch den Schweißstromkreis auf einen niedrigen Wert, vorzugsweise Null, herabgesetzt wird, Offenbar ist die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf Schweißtransformatoren mit Leerlaufspannungen unter i45 V beschränkt, da betriebliche Vorteile auch erreicht werden, wenn man den Gleichstromfluß des Schweißstromes durch die Sekundärwicklung von Transformatoren vermindert, die höhere Sekundärspannungen als 145 V liefern. Transformatoren, die für die Lieferung dieser höheren Leerlaufspannungen geeignet sind, haben fast beständig höhere Stromkreiswiderstandscharakteristiken, die die Größe des Gleichstromflusses in ihnen erheblich vermindern. Dieser Stromfluß wird jedoch eine unerwünschte Erwärmung in dem Schweißtransformator hervorrufen.
  • In dieser Hinsicht durchgeführte Prüfungen zeigen, daß die Gleichstromkomponente des Stromflusses annähernd gleich ist der Gleichstromspannung in dem Bereich von 2 bis io V, dividiert durch den Gleichstromwiderstand des Schweißstromkreises. Wenn daher eine 6-V-Batterie die Gleichstromkomponente des Stromflusses beim Schweißen mit 300 V (bei offenem Kreis) und z. B. 75 A Gesamt-,vechselstrom beseitigt, wird sie auch die Gleichstromkomponente beim Schweißen mit 115 V (bei offenem Kreis) und dem gleichen Schweißstrom beseitigen. Der einzige Fall, in dem (lies versagt, tritt ein, wenn die Spannung bei offenem Kreis so niedrig ist, daß in dem Lichtbogen vollständige Gleichrichtung eintritt, in welcliem Falle natürlich die Batterie oder gleichwertige Polarisierungsmittel den Strom nicht dazu zwingen können, in der entgegengesetzten Richtung zu fließen.
  • Die Gleichstromkomponente des Stromflusses in <lern Schweißstromkreis wird sich mit den Arbeitsbedingungen des Lichtbogens ändern. So wird beispielsweise bei einer 4-V-Batterie in dem Schweißstromkreis die Höhe des Gleichstromflusses auf Null nur bei einem besonderen Wert des Wechselstromflusses vermindert, und bei Werten oberhalb und unterhalb dieses Wertes des Wechselstromflusses wird eine Gleichstromkomponente auftreten, die in der einen oder anderen Richtung durch den Schweißstromkreis fließt. Ebenso wird bei einer 6-V-Batterie in dem Schweißstromkreis die Gleichstromkomponente des Stromflusses nur bei einem etwas höheren Wert des Werhselstromflusses Null, aber in der einen oder anderen Richtung wieder ansteigen, wenn der Wechselstromfluß über diesen Wert ansteigt oder unter diesen Wert sinkt. Da ein wesentlicher Gleichstromfluß in jeder Richtung durch den Schweißstromkreis unerwünschte Arbeitsbedingungen in dem für die Lieferung des Wechselstromes verwendeten Gerät schafft, ist es erwünscht, eine Einstellung des Stromkreises durch eine Änderung der Batteriespannung oder eine Einstellung der gleichwertigen Polarisierungsmittel entsprechend dem Wechselstromfluß in dem Schweißstromkreis zu haben, so daß der Gleichstromfluß nicht größer ist als 5 oder io Prozent des normalen Schweißstromes.

Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE: ,.Einrichtung zum Schmelzschweißen von 1letallen mittels eines Wechselstromlichtbogens, der zwischen Elektroden gebildet wird, die bei ihren Betriebstemperaturen wesentlich verschiedene Elektronenemissionsfähigkeiten besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß in den Schweißstromkreis in Reihe mit dem Lichtbogen Mittel zur Verminderung der von dem Lichtbogen erzeugten Gleichtstromkomponente eingeschaltet sind.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Verminderung der Gleichstromkomponente durch eine Gleichstromquelle gebildet werden, die in den Schweißstromkreis in einer Richtung eingeschaltet ist, die dem Fluß des von dem Lichtbogen erzeugten Gleichstromes entgegengesetzt ist.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dAß die Mittel zur Verminderung der Gleichstromkomponente durch zueinander umgekehrt parallel geschaltete Halbwellengleichrichter gebildet werden, von denen einer in seinem Stromkreis Mittel enthält, um die Halb-,#velle jener Polarität des Lichtbogenstromes zu vermindern, welche eine Neigung hat, größer zu sein als die Halbwelle der entgegengesetzten Polarität.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch i oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator parallel zum Schweißlichtbogen oder zur Sekund'ärwirklung des Schweißtransformators geschaltet ist und in bezug auf die Induktivität und den Widerstand des Schweißstromkreises zwischen ihm und der Lichtbogenstrerke einen ausreichenden Wert besitzt, um Stromstöße in der Größenordnung des vollen Schweißstromes bei Frequenzen zu erzeugen, die wesentlich größer sind als die Frequenz der Sahweißstromquelle.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch i oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Einstellung der in den Schweißstromkreis eingeführten Spannung zur Verminderung der Gleichstromkomponente vorgesehen sind.
  6. 6. Einrichtung zum Schweißen eines Aluminium enthaltenden Werkstückes gemäß Anspruch i öder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer hitzebeständigen Metallelektrode versehen ist, die aus Wolfram besteht, und daß Mittel vorgesehen sind, um ein Schutzgas um den Lichtbogen und den geschmolzenen Teil des Werkstückes zuzuführen.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE977411C (de) * 1948-07-28 1966-05-12 Air Reduction Verfahren zum Schutzgas-Lichtbogenschweissen von Aluminium
DE102005011554A1 (de) * 2005-03-14 2006-09-21 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation eines Gleichspannungsanteils an einer Primärwicklung eines Transformators

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