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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergehen sich aus der
folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung.
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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.
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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.
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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.
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Die Zeichnung zeigt eine gemäß der Erfindung ausgebildete Einrichtung.
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In Feig. r bestehen diie polarisierenden Mittel aus einer durch eine
in den Schweißstromkreis geschaltete Batterie gebildeten Gleichspannungsquelle.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.