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Selbsttätige elektrische Widerstandsabbrennschweißmaschine Die Erfindung
bezieht sich auf elektrische Widerstandsabschmelzschweißmaschinen mit einem in Abhängigkeit
von den elektrischen Verhältnissen im Schweißstromkreis arbeitenden Steuerorgan
für das Nachschubwerk.
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Bei, den bekannten Schweißmaschinen ist dieses Steuerorgan meist ein
Relais, das im Leerlaufpunkt der ;S'tromspannungskennlinie des Schweißstromkreises
(Arbeitskennlinie); also wenn zwischen den Werkstücken kein Strom übergeht, den
Vorschubantrieb des Schlittens auf Vorwärtslauf, im Kurzschlußpunkt der Arbeitskennlinie
dagegen, also wenn die Werkstücke unter einem bestimmten Druck in satter Berührung
miteinander sind, den Vorschubantrieb auf Rückwärtslauf schaltet. Bei bekannten
Schweißmaschinen, bei denen für verschiedene Querschnitte z. B. der Schweißtransformator
auf verschiedene Spannungsstufen eingestellt wird, ist mit dem Einstellorgan für
die :Spannung eine Einstellvorrichtung für das Relais verbunden, das die genannten
Ansprechpunkte den jeweiligen Spannungsstufen anpaßt.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, eine bessere Angleichung der Arbevbsweise
der Schweißmaschine an die jeweiligen Schweißeigenschaften der Werkstücke zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß werden im Gegensatz zu den bekannten Schweißmaschinen
die beiden Ansprechpunkte des iSteuerorgans, die sonst im Leerlauf-und im Kurzschlußpunkt
liegen, auf der Arbeitskennlinie auf einen beliebig kleinen Abstand, im äußersten
Fall bis auf einen Punkt zusammengerückt,
und Mittel vorgesehen.,
die eine Verschiebung des Ansprechbereiches des Steuerorgans auf der Arbeitskennlnie
unabhängig von den jeweiligen Spannungsstufen gestatten.
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Die Erfindung soll an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden,
deren Fig. i und 2 jeweils für zwei Leirstungsstufen des Transformators die Arbeitskemnlinien
a, b zeigen. Wie erwähnt, stellen die Arbeitskennlinien nichts anderes
als die sekundäre Spannung an den Elektroden- oder Einspannbacken in Abhängigkeit
vom sekundären Transformator-(Schweiß-)(Strom bei veränderlichem Widerstand zwischen
den Stirnflächen der eingespannten Werkstücke (U2 = f [T2]) dar. Bei offener
Stoßstelle .ist U2 = U2, (Leerlaufspannung) T2 = o.
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Diesem Fall entspricht auf jeder Kennlinie der Leerlaufpunkt L. Bei
kürzgeischlossenen Werkstückstirnen (Vorerhiitzungsstöße und Stauchung) wird U2
- U2 k
.T2 = J2 ,t (Kurzschlußistrom).
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Wäre der Widerstand zwischen den Einspannbacken gleich o, so würde
U2 = o sein. Die' Kurzschlußpunkt K' fiele für jede Kennlinie in die Stromachse.
Da die: eingespannten Werkstücke selbst und der Kontakt zwischen ihnen jedoch einen
nicht vernachlässiigbaren Widerstand besitzen, rückt der Xurzschlußpunkt für die
Eim@spannbackem von der Stromachse weg auf den Punkt K.
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Durch die elektrischen Verhältnisse zwischen den Einspannbacken werden
die Bewegungsvorgänge der -Maschine bestimmt; Zunächst muß bei offener Stoßstelle
der Werkstücke (U2" I2 = o) der Schlittenvorschub einsetzen, welcher
zur Berührung der beiden Stirnflächen und, wenn der Vorschub weiter aufrechterhalten
wird, zum direkten (Kurzschluß (U2k, J2 k) führt. Nach Entstehendes Stromflusses,
über die sich berührenden Werkstücke wird bei der Vorerhitzung der Rückzug des,
beweglich eingespannten Teiles eingeleitet, damit wieder eine Trennung der Schweißstelle
erfolgt. Wie erwähnt, geschieht dies. bei den bisher bekannten Mt.schinen durch
ein Schaltorgan, das zwischen Leerlauf und Kurzschluß, etwa im Punkt U', die Bewegungsrichtung
des Maschinenschlittens umkehrt. Bevor sich die Werkstücke wieder vollkommen trennen,
wird im Punkt U", welcher in der Nähe des Leerlaufpunktes L oder im L£e.rlaufpunkt
L selbst liegt, durch das Schaltorgan wieder auf Vorlauf umgeschaltet. Unter normalen
Verhältnissen ist bei hohen Leerlaufspannungen der verhältnismäßig große Abstand
zwischen den Umschaltpunkten L", U" auf der Arbeitskennlnie erwünscht, weil nur
hierdurch eine vollkommene Trennung der Schweißstelle zwischen den Vorerhitzungsstößen
und ein vollkommener K.urz@schluß gewährleistet ist.
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Anders liegen dagegen die Verhältnisse, wenn die @Maschine als ausgesprochene
Universalmaschine zum selbsttätigen Verschweißen von Werkstücken mit den verschiedensten
elektrischer. Widerständen zwischen den Einspannelektroden geeignet sein soll. Der
elektrische Widerstand zwischen den Einspannelektroden der Maschine hängt bekanntlich
von dem spezifischen Widerstand des zu schweißenden Materials, dem Querschnitt und
der Einspannlänge ab. Es kann also vorkommen, daß auf der Maschine kleine Querschnitte
zu verschweißen sind, deren Widerstand im Kurzschluß beträchtlich größer ist als.
der entsprechende Widerstand von Werkstücken größerer Abmes'sunge'n. Der Kurzschlußpunkt
K wird infolgedessen, wenn auf der in Fig. i mit b bezeichneten Kennlinie mit kleiner
Leerlaufs.pannung gearbeitet wird, oberhalb des Umschaltpunktes U' liegen. Für die
Lage der Umschaltpunkte U, U" auf den einzelnen Kiennlinien wird dabei Gleichheit
des Ordinatenabstandes U' U" angenommen, der in den Fig. i und 2 mit
d U bezeichnet ist. Wenn U' nun unterhalb von K liegt, so wird das
Relais. nicht mehr auf Rücklauf steuern, der Schlitten wird vielmehr dauernd auf
Vorschub geschaltet bleiben, so daß die Steuerung unter diesen Bedingungen versagt.
Die Werkstücke kleben zusammen, und es entsteht eine reine, überhitzte Stumpfschweißung,
falls nicht vorher die Leistung genügt hat, ein Abbrennen aus dem kalten Zustand
herbeizuführen.
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Die, Erfindung fußt daher auf der Erkenntnis, daß eine selbsttätige
elektrische Abbrennschweißmaschine besonders dann für die Verschweißung von '\N'erkstücken
beliebigen elektrischen Widerstandes zwischen den Einspannelektroden voll geeignet
ist, wenn die Möglichkeit besteht, den. Abstand der beiden Umschaltpunkte U', U"
auf der Kennlinie beliebig zu verändern. Voraussetzung ist dabei allerdings, daß
die durch das Schaltorgan bewirkte zeitliche Änderung der Schlittengeschwindigkeit
sehr viel kleiner ist als die Änderungsgeschwindigkeit der Schweißspannung bzw.
des Schw eißstrom,s. Diese Bedingung ist im allgemeinen bei den üblichen Ausführungsformen
für Abbrennschweißmaschinen allein schon dadurch erfüllt, daß der Maschinenschlitten
eine genügend große Mässe hat.
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Bei dien- in Fig. 2 :dargestellten Arbeitskennlinien sind z. B. die
Umschaltpunkte U', U" sehr viel dichter zusammengerückt als bei den in Fig.
i dargestellten Arbeitskemnlinien, mit der Folge, daß dadurch auch J U wesentlich
kleiner wird und nunmehr der EKurz:s:chlußpunkt K wieder unterhalb von U'
liegt. Im Idealfall können sogar die Umschaltpunkte U', U" in einen Punkt U,l zusammenfallen.
Darüber hinaus können aber auch noch die Punkte U'; U" unter Beibehaltung
oder Änderung ihres Abstandes auf der Kennlinie verschoben werden, wodurch die Arbeits"veise
der Maschine geändert wird. Verschiebt man nämlich die Uhnschaltpunkte U', U" immer
mehr nach dem Leerlaufpunkt hin, so arbeitet die Steuerung so, daß der Schlitten
um :so rascher pendelt, je näher die Umschaltpunkte dem T.eerlaufpunkt liegen, mit
der Folge, daß die Werkstücke eine nur verhältnismäßig oberflächliche Erwärmung
erfahren. Diese
Möglichkeit ist z. B. für die Verschweißung von
Werkstücken von Bedeutung, die entweder einen im Vergleich zur Nennleistung der
(Maschine verhältnismäßig kleinen Querschnitt haben oder aus einem sehr wärmeempfindlichen
;Material bestehen. Verlegt man die Umschaltpunkte mehr nach dem Kurzschlußpunkt
K hin, so arbeitet die (Steuerung so, daß der Schlitten die Kurzschlußlage bevorzugt.
Dabei kann die Lage der Umschaltepunkte unter Umständen sogar so gewählt werden,
daß eine vollständige Trennung der Werkstücke überhaupt nicht mehr stattfindet.
Diese Möglichkeit der Steuerung ist von Vorteil, wenn es darauf ankommt, die Werkstücke
sehr intensiv vorzuwärmen.
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Die- Verlegung der Umschaltpunkte U', U" auf den Arbeitskennlinien
kann dadurch ermöglicht werden, daß man das in Abhängigkeit von einer der elektrischen
Größen des Schweißstromkreises arIbeitende Steuerorgan mit Einstellelementen versieht,
welche eine Änderung seiner Ansprechgre:nzen zulassen.
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In F:ig. 3 der Zeichnung sind z. B. die für die Erfindung wesentlichen
Teile einer Abbrennschweißmaschine im iSchaltungssche@ma dargestellt, bei der als
Steuerorgan ein Stromrelais verwendet wird. Mit i ist der Schweißtransformator bezeichnet,
dessen Sekundärwicklung 12 an die die Werkstücke 2, 3 aufnehmenden Einspann- und
Stromzuführungsorgane 4, 5 angeschlossen ist. In den Stromkreis der als Anzapfwicklung
ausgeführten Primärwicklung i i ist über einen Wandler 6 die Wicklung 7 des Stromreilais
eingeschaltet, dessen Anker 8 unter der Einwirkung einer Rückzugsfeder 9 steht.
Die Vorspannung dieser Rückzugsfeder 9 und damit die Ansprechgrenzen des Relais
können mittels eines Knebels io od. dgl. verändert werden. Zusätzlich oder statt
destsen kann man auch noch die; Ans.prechgrenzen des Relais durch Änderung der Amperewindungszahl
der Wicklung 7 beeinflussen. Hierfür sind in der Fig. 3 ebenfalls einige Möglichkeiten
angedeutet. So kann man z. B.. die Wicklung 7 in an sich bekannter Weise als Anzapfwicklung
ausführen oder ihr einen Regulierwiderstand 13 vorschalten oder den Wandler 6 mit
veränderlichere Übersetzungsverhältnis ausführen.
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Wird der Schlittenantrieb statt durch ein Stromrelais durch ein Spannungsrelais
gesteuert, so können die geschilderten Mittel zur Einstellung der Ansprechgrenzen
sinngemäß auf das Spannungsrelais angewendet werden.
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Auch in diesem Zusammenhang sei noch einmal, wie bereits eingangs,
darauf hingewiesen, daß die Änderung der Ansprechgrenzen eines derartigen Steuerrelais
an sich insoweit bekannt ist, als gleichzeitig mit der Änderung der Transformatorstufen
auch die Ansprechgrenzen des Relais zur Anpassung an die jeweils gewählte Transformatorstufe
geändert werden. In der Regel werden sogar die Einstellmittel des Relais mit den
Einstellmitteln des Transformators zwangsläufig gekuppelt, damit- die Änderung der
Relaisansprechgrenzen bei der Änderung der Transformatorstufen nicht übersehen werden
kann. Im Gegensatz dazu werden nach der Erfindung die Ansprechgrenzen des Relais
innerhalb jeder Transiformatorstufe den jeweils verlangten Arbeitsbedingungen angepaßt.
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Die Einstellung der Ansprechgrenzen des in Abhängigkeit von den Verhältnissen
im 'SIchweißst,romkreis arbeitenden Steuerorgans für den Schlittenantrieb gestaltet
sich besonders einfach, wenn man dieses Steuerorgan, wie Fig. q. zeigt, als stroms.pan:nungsabhängiges
Differentialrelais ausbildet. Das 'Relais hat einen dreischenkeligen Eisenbern 14..
Auf den Außenschenkeln sitzt je eine Wicklung 15, 16,. von denen die eine, 15, über
einen Einstellwiderstand 17 und einen Wandler 18 an die,IStpannung der Schweißelektroden
q., 5 angeschlossen ist. D!ie andere Wicklung, 16, liegt über einen Einstellwiderstand
i9 an einem in den Primärkreis des Schweißtransformators i eingeschalteten Stromwandler
6. Wie punktiert angedeutet, kann statt dessen die Wicklung 16 aber auch an ein
im Felde des 'Sekundärstromkreises liegendes Toroi.d 2o gelegt werden. An dem Mittelschenkel
des Kerns 14. ist der Anker 21 des Relais waagebalkenartig gelagert. Der Anker betätigt
den Steuerschalter =, der in an sich bekannter Weise zur Steuerung des M'aschinenschlittenantriiebs
dient. Diie Einrichtung arbeitet auf folgende Weisse: Bei getrennten Werkstücken
liegt die volle Leerlaufspannung der Sekundärwicklung des TransformatoTs i über
den Wandler iß an der Spule 15. Der Relaisanker wird nach rechts gezogen und gibt
dem Schlittenantrieb das Kommando für die: Vorwärtsbewegung. Die Spule 16 ist dabei
stromlos, weil der Transformator lediglich seinen Leerlaufstrom führt, der im Vergleich
zum tLastistrom verschwindend klein ist. Bei Berührung der Werkstücke wird d'ie
Spannung an den Elektrodernbacken vermindert. Andererseits wird durch den einsetzenden
iSitromfluß die Spule 16 erregt, so daß der Plelais.anker bei Überwiegen des Stromflusses
nach links kippt und dem Schlittenantrieb das, Kommando für Rückzug erteilt.
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Trägt man, wie in Fig. 5 dargestellt, über jeder Arbeitskennlinie
a, b die von den Elektrodenbacken abgenommene und mit Hilfe des Wandlers
18 und des Vorwiderstandes 17 einstellbare Spannung n- Uz als Kurve c über der Arbeitskennlinie
auf, so ergibt der Schnittpunkt UO dieser Kurve mit der durch den Widerstand i9
einstellbaren: Stromgeraden d (der der Spule 16 zugeführte Strom m-J isst
dem Primärstrom bzw. dem @Sekundärstrom direkt proportional) die sogenannte Relaischarakteristik,
welche die Arbeitsweise des Relais kennzeichnet. m und n sind Faktoren,
welche von der Einstellung der Vorwiderstände 17, ig und den Übersetzungsverhältnissen
der Wandler 6, 18 abhängen.. In dem Bereich, in dem die Kurve c über der Stromgeraden
d liegt, wird der Anker 21 des Relais (Fig. q.) nach rechts herabgezogen, der Schlitten
bewegt sich also vorwärts. Liegt die Stromgerade d über der (Spannungskurve c, so
kippt
der Relai:sanker nach links und erteilt dem Schlittenantrieb
das Kbmmando für die Rückwärtsbewegung. Die Zugkraft jeder Spule kann in erster
Annäherung dem Quadrat der an sie gelegten Spannung proportional gesetzt werden,
so daß der Unterschied der beidenSpulenspannungen, bezogen auf die dazugehörige
Stromänderung d T ein Maß für die Empfindlichkeit des Relais, d. h. also
für die Streckenlänge U'-U" auf den Kurven a, b darstellt. Die Strecke U'-U"
ist um so kleiner, je höher der Schnittpunkt U° der Relaischarakteristik über der
Arbeitskennlinie liegt und je größer die Winkel sind, unter welchen sich die beiden
Kurven der Relaischarakteristik, d. h. also die'Sitromgerade d und die Spannungskurve
c, schneiden. Durch Veränderung der Einstellwiderstände 17 und ig kann also sowohl
eine Verschiebung des Schnittpunktes U° der Relaischarakteristik und damit eine
Verschiebung des Umschaltpunktes U" (arithmetisches Mittel zwischen U', U")
auf der Arbeftskennlinie als auch eine Veränderung des Abstandes U'-U" bewirkt werden.
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In Fig. 5 sind für die Arbeitskennlinie b zwei dieser Möglichkeiten
angedeutet.
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Wie bereits gesagt, ist der Ordinatenabstand d U der Umschaltepunkte
U' und U" eine konstante Kenngröße des Relais, die durch seine physikalischen
Eigenschaften bedingt ist. Im Punkt UI halten sich nämlich die Zugkräfte der Wicklungen
15, 16 des in Fig. d. dargestellten Relais das Gleichgewicht. Um nun den Anker 21
des Relais jeweils aus der einen Endlage in die andere Endlage zu kippen, ist es
notwendig, daß die Spannung derjenigen Wicklung um einten gewissen Betrag (.J U)
überwiegt, nach der der Relaisanker kippen soll, damit die magnetischen und mechanischen
Widerstände bzw. Trägheitskräfte überwunden werden. Hat nun beispielsweise für die
Arbeitskennlinie- b die Spannungskurve des Relais den Verlauf c' und die Stromgerade
den Verlauf d', so arbeitet das Relais auf einer hohen Spannungsstufe. Auf der Arbeitskennlinie
b entsteht infolgedessen bei gegebenem d U
nur ein verhältnismäßig
enger Bereich U'-U". Werden die Vorwiderstände der Wicklungen 15, 16 oder die Übersetzungsverhältnisse
derWandler6, i, so geändert, daß die Spannungskurve denVerlauf c" und die Stromgerade
den Verlauf d" erhalten, dann liegt zwar der mittlere Umschaltpunkt 17" auf der
gleichen !Stelle der Arbeitskennlinie, der Arbeitsbereich U'-U" wird jedoch für
das gegebene d U
erheblich breiter. Um den Arbeitsbereich U'-U" auf der Arbeits.kennlinie
b zu verschieben, braucht nur die Neigung der Stromgeraden d durch entsprechende
Änderung des Vorwiderstandes der Stromwicklung des Relais geändert zu werden. Ähnliche
Wirkungen lassen sich auch erreichen, wenn man statt der elektrischen Arbeitsbedingungen
des Relais seine mechanischen Arbeitsbedingungen unter Anwendung an sich bekannter
Mittel (Federn, Gewichte od. dgl.) ändert.
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Soll das stromspannungsabhängige Diffferentialrelais nach Fig. q.
bei hohen Leerlauf s.pannungen (Leistungen), wie früher beschrieben, so arbeiten,
daß die beiden Umschaltpunkte in der Nähe des Kurzschluß- und -Leerlaufpunktes liegen,
so kann dies dadurch geschehen, daß während der Stellung des Ankers auf Rückzug
ein Teil des. im Stromspulenkreis liegendeuWiderstand-es kurzgeschlossen wird. Dadurch
wird bei abfallender Spannung (Leerlaufkurzschlußrichtung) die Neigung der Stromgeraden
d nach dem Kurzschlußpunkt zu verschoben, der Umschaltpunkt U' also in die Nähe
des Kurzschlußpunktes gelegt, während durch die Einstellbarkeit des Restwiderstandes
im Stromspulenkreis die Lage des iU'mschaltpunktes U" für ansteigende Spannung ('Kurzschlußleerlaufrichtung)
beim Rückzug beliebig hoch gewählt werden kann. Diese Umschaltung kann während der
Vorerhitzung eines Schweißvorganges, bei dem z. B. der Bereich U'-U" auf den oberen
Teil der Arbeitskennlinie verlegt ist, unter Umständen mehrfach vorgenommen werden,
um die Erwärmung der ZVerkstücke nach Belieben zu beeinflussen.
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Es ist auch möglich, durchAnwendung etwa eines von der Zeit oder vom
Erhitzungszustand der Werkstücke abhängigen Regelgerätes die Uin.schaltung von dem
einen auf -den anderen Arbeitsbereich selbsttätig zu bewirken. So kann man z. B.,
wie in Fig. 4 strichpunktiert angegeben, das Relais 1q. mit Hilfskontakt versehen,
der in der Befehlsstellung für (Schlittenrücklauf .einen Teil des Widerstandes ig
so lange überbrückt, wie dies das Zeitrelais 24 zuläßt. Das Zeitrelais 24. wird
dabei mit dem Schweißstrom eingeschaltet. An Stelle des Zeitrelais kann auch ein
in Abhängigkeit von dem Erhitzungszustand der Werkstücke arbeitendes Regelorgan,
beispielsweise ein Strählungspyrometerod. ä., verwendet werden. Bei dieser !Schaltung
bestimmt dann die Stellung des Regelkontaktes 25 auf dem Widerstand ig die Lage
des 1-Trn.schaltpunktes U", die Stellung des Regelkontaktes .2:6 und die 'Schaltstellung
des Relais 24 die Lage des Umschaltpunktes U'.