DE922846C

DE922846C - AC arc welding process and arc welding transformer

Info

Publication number: DE922846C
Application number: DES3469D
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dipl-Ing Stolberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1941-04-04
Filing date: 1941-04-04
Publication date: 1955-01-27

Description

Verfahren zum Wechselstrom-Lichtbogenschweißen und Lichtbogenschweißtransformator Beim Bau von Schweißtransformatoren muß man die Leerlaufspannung beträchtlich höher wählen als die Spannung, die beim Schweißen am Bogen zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück auftritt, um eine genügende Stabilität des Schweißbogens zu erhalten. Die hohe Leerlaufspannung hat einen hohen Anschlußwert des Schweißtransformators zur Folge, den man im allgemeinen durch Zuschalten von Kondensatoren zur Kompensation der Transformatorblindleistung herabzumindern sucht. Aber auch der Anschluß von Kondensatoren bringt den Nachteil der Verteuerung der Schweißanlage mit sich. Man hat nun bereits vorgeschlagen, die Transformatorblindleistung dadurch herabzusetzen, daß man eine Grundwelle der Wechselspannung geringerer Größe wählt, als sie zu einer sicheren Bodenzündung erforderlich ist, der entweder eine durch einen Oszillator erregte hochfrequente Hochspannung oder eine phasenverschobene, nicht sinusförmige Teilspannung überlagert wird, und zwar derart, daß an derjenigen Stelle, an der bei der Schweißung der Schweißstrom seinen Nulldurchgang aufweist, eine künstliche, die Bogenzündung erleichternde Spannungserhöhung auftritt. Die Einrichtungen zur Verwendung der Hochfrequenzspannung haben sich wegen der Verteuerung der Anlage und der Belästigung des Schweißers bei Berührung der metallischen Teile des Schweißkolbens im Leerlauf bisher nicht eingebürgert. Ein bekanntes Verfahren (französisches Patent 791 750) zur Erzeugung einer deformierten Spannung besteht darin, daß man einen dreischenkligen Transformator verwendet, dessen beide äußeren, in der Induktion normal beanspruchten, jeder Primär-und Sekundärwicklungen tragenden -Schenkel in V-Schaltung an die drei Phasen eines Drehstromnetzes angeschlossen werden, während der mittlere Schenkel eine starke Sättigung aufweist und eine mit der Sekundärwicklung in Reihe geschaltete Wicklung zur Erzeugung der Überlagerungsspannung trägt. Der Nachteil dieser Anordnung besteht in dem Erfordernis einer hohen Magnetisierungsleistung, da zum Aufbringen der Hauptflüsse durch die äußeren Schenkel Komponenten dieser Hauptflüsse in dem gesättigten Eisenpfad des mittleren Schenkels erzeugt werden müssen. Es fehlen bei der angegebenen Lösung auch Mittel zur stetigen Regelung der Schweißstromstärke und Mittel, um die Überlagerungsspannung hinsichtlich ihrer Phasenlage auf einen Bestwert einstellen zu können.Process for AC arc welding and arc welding transformers When building welding transformers, the open-circuit voltage must be chosen to be considerably higher than the voltage that occurs between the welding electrode and the workpiece during welding in order to obtain sufficient stability of the welding arc. The high open circuit voltage results in a high connected load of the welding transformer, which one generally seeks to reduce by connecting capacitors to compensate for the transformer reactive power. But the connection of capacitors also has the disadvantage of making the welding system more expensive. It has already been proposed to reduce the transformer reactive power by choosing a fundamental wave of the alternating voltage of a smaller magnitude than is necessary for reliable floor ignition, on which either a high-frequency high voltage excited by an oscillator or a phase-shifted, non-sinusoidal partial voltage is superimposed, and in such a way that at the point at which the welding current passes through zero during welding, an artificial voltage increase that facilitates arc ignition occurs. The devices for using the high-frequency voltage have not yet become established because of the increased cost of the system and the annoyance of the welder when touching the metallic parts of the welding iron while idling. A known method (French patent 791 750) for generating a deformed voltage is that one uses a three-legged transformer, the two outer legs of which each have primary and secondary windings in a V-connection to the three phases A three-phase network can be connected, while the middle leg has a strong saturation and carries a winding connected in series with the secondary winding to generate the superimposed voltage. The disadvantage of this arrangement is the need for a high magnetization power, since components of these main fluxes have to be generated in the saturated iron path of the middle limb in order to generate the main fluxes through the outer limbs. The specified solution also lacks means for continuously regulating the welding current intensity and means to be able to set the superimposed voltage to an optimum value with regard to its phase position.

Es ist auch bereits bekanntgeworden (deutsches Patent 686931), die Hilfsspannungsspitzen zum Bogenzünden in der Nähe des Stromnulldurchganges dadurch zu erzeugen, daß ein Hilfstransformator kleinerer Leistung vorgesehen wird, in dem eine Spannung von geringem Effektivwert, aber hoher Spitze erzeugt wird, die gegebenenfalls durch besondere Mittel in ihrer -Phasenlage eingestellt werden kann. Dieser Hilfstransformator ist dem Haupttransformator parallel geschaltet. Offensichtlich treten aber infolge der ungleichen Spannungsform von Haupt- und Hilfstransformator entsprechende Ausgleichsströme auf, auch wenn, wie das in der Vorveröffentlichung angegeben wird, die Ohmschen und die Blindwiderstände beider Transformatoren einander angeglichen werden. Durch eine Parallelschaltung kann die im Hilfstransformator erzeugte Spannung gar nicht voll ausgenutzt werden, da durch die Spannungsdifferenz von Haupt- und Hilfstransformator ein entsprechender Ausgleichsstrom auftritt, der die nach außen wirksame Spannung beträchtlich herabsetzt.It has also already become known (German patent 686931) that Auxiliary voltage peaks for arc ignition in the vicinity of the current zero crossing thereby to produce that an auxiliary transformer of smaller power is provided in the a voltage with a low rms value but a high peak is generated, which may be can be adjusted in their phase position by special means. This auxiliary transformer is connected in parallel to the main transformer. Obviously, however, occur as a result equalizing currents corresponding to the unequal voltage form of the main and auxiliary transformer on, even if, as stated in the prior publication, the ohmic ones and the reactances of both transformers are adjusted to one another. By the voltage generated in the auxiliary transformer cannot be connected in parallel can be fully exploited because of the voltage difference between the main and auxiliary transformer a corresponding compensating current occurs, which is the voltage effective to the outside considerably diminishes.

Im Gegensatz hierzu geht die vorliegende Erfindung von dem Gedanken aus, die zusätzlichen Spannungsspitzen im Schweißkreis selbst, insbesondere im Schweißtransformator, zu erzeugen, ohne daß dazu eine erhebliche Magnetisierungsleistung oder überhaupt zusätzliche Wicklungen im Primär- oder Sekundärkreis benötigt werden. Zu diesem Zweck werden die für die Bogenzündung günstigen Spannungsformen dadurch erzeugt, daß gemäß der Erfindung durch zur Netzspannung synchrone Veränderung der magnetischen Kopplung zwischen den auf verschiedenen Schenkeln angeordneten Primär- und Sekundärwicklungen des Schweißtransformators in der Nähe des Nulldurchganges der Lichtbogenspannung eine erhöhte-Geschwindigkeitsabnahme des wirksamen magnetischen Kraftflusses, beispielsweise durch eine, im Takt der Netzfrequenz schwankende Beeinflussung eines Streukraftflüsses, herbeigeführt und dadurch eine Spannungswelle mit hoher Einsatzspitze erzeugt wird.In contrast, the present invention is based on the idea off, the additional voltage peaks in the welding circuit itself, especially in the welding transformer, to generate without a significant magnetization power or at all additional windings are required in the primary or secondary circuit. To this Purpose, the voltage forms favorable for arc ignition are generated by that according to the invention by synchronous change to the mains voltage of the magnetic Coupling between the primary and secondary windings arranged on different legs of the welding transformer near the zero crossing of the arc voltage an increased decrease in the speed of the effective magnetic flux, for example due to an influencing of a stray force fluid that fluctuates in the cycle of the mains frequency, brought about and thereby a voltage wave with a high usage peak is generated.

Dies kann dadurch bewirkt werden, daß der Primär- und der Sekundärwicklung ein Streujoch zugeordnet ist, dessen magnetischer Widerstand periodisch mit der Frequenz des Schweißstromes verändert wird. Das Streujoch besteht beispielsweise aus zwei Polschuhen und einem synchron mit der Frequenz des speisenden Netzes umlaufenden Anker aus lamellierten Blechen bestimmter Formgebung. Zur Erzielung kleinerer Drehzahlen kann der Anker auch mit mehreren Polen ausgebildet sein.This can be done by removing the primary and secondary windings a Streujoch is assigned, the magnetic resistance of which is periodic with the Frequency of the welding current is changed. The Streujoch exists, for example consisting of two pole pieces and one rotating synchronously with the frequency of the feeding network Anchor made of laminated sheet metal of a certain shape. To achieve lower speeds the armature can also be designed with several poles.

Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Anlage ist in Fig. i dargestellt. Der Schweißtransformator trägt auf gegenüberliegenden Schenkeln die Primär-und die Sekundärwicklung P bzw. S. Zwischen diesen Schenkeln ist ein Streujoch J drehbar gelagert, dessen scharf ausgebogene Enden mit zwei an den Jochen des Transformatoreisens angeordneten Polansätzen p zusammenwirken. Das Drehjoch ist mit einem Synchronmotor gekuppelt, der gleichzeitig auch anderen Zwecken, beispielsweise zum Antrieb einer Kühlluftpumpe, dienen kann. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ergibt sich aus den Kurven der Fig. 2a und 2b. Die Sekundärspannung E2 des Transformators wird in der Sekundärwicklung S durch die Schwankungen des Kraftflusses Ph hervorgerufen, den die ans Netz geschaltete Primärwicklung im Transformatoreisen hervorruft. Ist die Kopplung, wie üblich, unveränderlich, so weist die Spannung E2 einen sinusartigen Verlauf wie die Primärspannung auf. Wird aber das .Streuj och J synchron mit der Netzfrequenz gedreht, so wird, sobald die vorauflaufenden Spitzen des Joches unter die Polschuhe p kommen, ein Teil des Kraftflusses mit großer Schnelligkeit in den Streupfad abgelenkt. Tritt diese Ablenkung in der Nähe des Augenblickes auf, in dem der SekundärstromJ2 durch Null hindurchgeht, so wird die abnehmende Tendenz des Hauptflusses Ph ; wie Fig. 2 b zeigt, in der Sekundärwicklung erhöht, und die rasche Kraftlinienänderung erzeugt in dieser Wicklung die Spannungskurve E2 mit der gewünschten Spannungsspitze, die zur Wiederzündung des Schweißbogens ausgenutzt werden soll. In dem dargestellten Beispiel wird durch das Eintreten des Streujoches unter die Streupolschuhe die Geschwindigkeit der Flußänderung in der Sekundärwicklung S etwa verdoppelt, womit die zu diesem Zeitpunkt in der Sekundärwicklung auftretende Spannung ebenfalls etwa den doppelten Wert gegenüber der ursprünglichen Sinuswelle aufweist. Es steht also etwa der doppelte Wert der Zündspannung zur Verfügung. Dann kommt man aber zur Erzielung gleicher Zündfähigkeit wie bei sinusförmiger Spannung bei Anwendung des vorgeschlagenen Hilfsmittels mit der Grundwelle vom halben Betrage aus. Damit ist aber eine beträchtliche Erniedrigung der Transformatorgröße und der -anschlußleistung erreicht.An embodiment of such a system is shown in FIG. The welding transformer carries the primary and secondary windings P and S on opposite legs. Between these legs, a scattering yoke J is rotatably mounted, the sharply curved ends of which interact with two pole lugs p arranged on the yokes of the transformer iron. The rotary yoke is coupled to a synchronous motor, which can also serve other purposes, for example to drive a cooling air pump. The mode of operation of this arrangement results from the curves in FIGS. 2a and 2b. The secondary voltage E2 of the transformer is caused in the secondary winding S by the fluctuations in the power flow Ph which the primary winding connected to the mains causes in the transformer iron. If the coupling, as usual, cannot be changed, the voltage E2 has a sinusoidal curve like the primary voltage. If, however, the .Streuj och J rotated synchronously with the network frequency, as soon as the leading tips of the yoke come under the pole shoes p, part of the power flow is diverted into the scattering path with great rapidity. If this deflection occurs near the moment when the secondary flow J2 passes through zero, the decreasing tendency of the main flow Ph ; as FIG. 2 b shows, increased in the secondary winding, and the rapid change in the line of force generates the voltage curve E2 in this winding with the desired voltage peak, which is to be used to reignite the welding arc. In the example shown, the speed of the flux change in the secondary winding S is approximately doubled when the scattering yoke occurs under the scattering pole shoes, so that the voltage occurring in the secondary winding at this point in time also has approximately twice the value compared to the original sine wave. This means that about twice the value of the ignition voltage is available. Then one arrives at the achievement of the same ignitability as with sinusoidal voltage when using the suggested aid with the fundamental wave from half the amount. However, this results in a considerable reduction in transformer size and connection power.

Statt der mechanischen kann auch eine Streuungsänderung auf elektrischem Wege erzielt werden. Wie Fig. 3 zeigt, ist zwischen den die WicklungenP und S tragenden Transförmatorschenkeln ein festes Streujoch J' an sich bekannter Bauart angeordnet. Auf dem Trennsteg t zweier Fenster f ist eine Erregerwicklung w vorgesehen, die an die Netzleitungen über eine Erregerwicklung v zur Phaseneinstellung angeschlossen ist. Dieser Anschluß erfolgt bei einem Drehstromnetz zweckmäßig an einem der die Primärwicklung P speisenden Leiter und an dem dritten, mit dieser Wicklung nicht verbundenen Leiter. Die Streueigenschaften des Joches I' werden im Takte der Netzfrequenz in geeigneter Phasenlage derart geändert, daß die Sekundärwicklung des Transformators die in Fig. 2 b gezeigte oder eine sonst gewünschte Form aufweist. Es kann auch ein Regelwiderstand r für die Veränderung der Stärke des Erregerstromes des Streujoches vorgesehen sein. Zur Phaseneinstellung des Erregerstromes können abstimmbare Schwingungskreise, zusätzliche magnetisch gesättigte Kreise u. dgl. dienen. Es können auch zwei Streujoche oder ein Joch mit mehr als zwei Fenstern verwendet werden, um für die Spannungsänderung und das Maß der Streuerregung gesonderte Regelkreise zu erhalten.Instead of the mechanical one, a change in scatter can also be achieved electrically. As Fig. 3 shows, between the transformer legs carrying the windings P and S there is arranged a fixed diffuser J 'of a known type. An excitation winding w is provided on the separating web t of two windows f and is connected to the power lines via an excitation winding v for phase adjustment. In the case of a three-phase network, this connection is expediently made to one of the conductors feeding the primary winding P and to the third conductor not connected to this winding. The scattering properties of the yoke I 'are changed in the cycle of the network frequency in a suitable phase position such that the secondary winding of the transformer has the shape shown in Fig. 2b or any other desired shape. A control resistor r can also be provided for changing the strength of the excitation current of the scattering agent. To adjust the phase of the excitation current, tunable oscillating circuits, additional magnetically saturated circuits and the like can be used. Two scattering jokes or one yoke with more than two windows can also be used in order to obtain separate control loops for the voltage change and the degree of scattering excitation.

Dadurch, daß die Streuerregerwicklung auf dem Streujoch derart aufgebracht ist, daß die Wicklung nicht mit dem Streufluß selbst verkettet ist, werden Rückwirkungen des Streuflusses auf den Verlauf des Erregerstromes vermieden. Es ist also ohne weiteres möglich, durch geeignete Ausbildung des Erregerstromes nach Stärke und Phase einen beliebigen Verlauf der Transformatorspannung auf der Sekundärseite zu erzielen. Wird außer der Phasenlage und der Kurvenform des Erregerwechselstromes noch seine Amplitude geregelt, so läßt sich auf diese Weise auch die Leistung des Schweißtransformators in bequemer Weise elektrisch regeln. Werden als Erregerströme pulsierende (kommutierte) oder zerhackte Gleichströme verwendet, so bleibt die Form der Grundwelle des Schweißstromes im wesentlichen sinusförmig. Die schroffen Änderungen des Erregerstromes beim Kommutieren dienen dann nur zur Erzeugung der kurzdauernden Spannungsspitzen beim Wiederzünden des Bogens. Der Gleichstrom kann aus einer Abzweigung an der Primärwicklung des Schweißtransformators über einen Gleichrichter und eine Glättungseinrichtung entnommen werden. Das Zerhacken oder Kommutieren wird mittels einer mechanischen Einrichtung vorgenommen, die synchron mit der Frequenz des Schweißstromes umlaufen muß und deshalb auch mit dem das Drehstreujoch nach Fig. i antreibenden Motor gekuppelt sein kann. Wird zur Streuerregung der Schweißstrom selbst oder aber auch die Lichtbogenspannung benutzt, so erfolgt die Aufhebung der Sättigung des Streujoches und damit die Erzeugung der sekundären Spannungsspitze selbsttätig in Abhängigkeit vom Erlöschen des Schweißbogens, was den Vorteil mit sich bringt, daß zusätzliche Mittel der Anpassung der Bestlage der Spannungserhöhung an die augenblickliche Phasenlage des Schweißstromes überflüssig werden.In that the scatter exciter winding is applied to the scattering yoke in this way is that the winding is not linked to the leakage flux itself, there will be repercussions the leakage flux on the path of the excitation current avoided. So it is without further possible through suitable training of the excitation current according to strength and Phase to any curve of the transformer voltage on the secondary side achieve. Apart from the phase position and the waveform of the excitation alternating current If its amplitude is still regulated, the output of the Electrically regulate welding transformer in a convenient way. Are called excitation currents If pulsing (commutated) or chopped direct currents are used, the shape remains the fundamental wave of the welding current is essentially sinusoidal. The sharp changes of the excitation current during commutation are then only used to generate the short-term Voltage peaks when re-igniting the arc. The direct current can come from a branch to the primary winding of the welding transformer via a rectifier and a Smoothing device can be removed. Chopping or commutation is done by means of a mechanical device made synchronous with the frequency of the welding current must circulate and therefore also with the rotating scattering yoke according to Fig. i driving Motor can be coupled. Is the welding current itself or else the scatter excitation the arc voltage is also used, the saturation of the Streujoches and thus the generation of the secondary voltage peak automatically in Dependence on the extinction of the welding arc, which has the advantage that additional means of adapting the best position of the voltage increase to the current one Phasing of the welding current become superfluous.

Wird das umlaufende Streujoch nach Fig. i ebenfalls mit einer Erregerwicklung zur Vorsättigung mit Gleichstrom versehen, die zu Schleifringen auf die Drehachse geführt ist, so kann durch Veränderung der Erregung die Streuwirkung verändert und damit auch der Schweißstrom geregelt werden. Es wird dann allerdings bei stärkerer Vorsättigung die Wirkung der Streuungsänderung verkleinert, und damit werden auch die überlagerten Zündspitzen kleiner. Dies ist aber nicht von Nachteil, da gleichzeitig die Schweißströme größer werden und erfahrungsgemäß bei größeren Schweißstromstärken infolge der stärkeren Ionisierungserscheinungen der Lichtbogenstrecke die erforderliche Zündspannung an sich erniedrigt wird.If the circumferential scattering yoke according to FIG. I is also provided with an excitation winding Provided with direct current for presaturation, which form slip rings on the axis of rotation is performed, the scattering effect can be changed by changing the excitation and so that the welding current can also be regulated. But then it gets stronger Presaturation diminishes the effect of the change in scatter, and thus also the superimposed ignition tips are smaller. But this is not a disadvantage, as it is at the same time the welding currents become larger and experience has shown that the welding currents are higher due to the stronger ionization phenomena of the arc gap the required Ignition voltage per se is lowered.

Claims

PATENT CLAIMS: i. AC arc welding processes, characterized in that the magnetic change in synchronism with the mains voltage Coupling between the primary and secondary windings arranged on different legs of the welding transformer near the zero crossing of the arc voltage an increased decrease in the speed of the effective magnetic flux, for example by influencing a stray force flow that fluctuates in the cycle of the network frequency, brought about and thereby a voltage wave with a high usage peak is generated.

2. Welding transformer for performing the method according to claim i, characterized in that that the magnetic resistance of a scattering path is due to mechanical influence or can be changed by an excitation assigned to it synchronously with the frequency of the mains current is.

3. Welding transformer according to claim a, characterized in that a the transmission of the primary force flow to the secondary leg influencing, provided by a synchronous motor synchronous to the mains frequency rotatable scattering yoke is whose sharply defined control edges for the beginning of the leakage flux in the Proximity of the moment when the secondary current passes through zero, between the pronounced Stepping the poles of the circuit. q ..

Welding transformer according to claim 3, characterized characterized in that the circumferential scattering yoke with an adjustable direct current bias is provided.

5. Welding transformer according to claim 3, characterized in that the phase position of the Streujoches possibly by changing the motor excitation larger arc voltage is displaceable in the sense of a lead.

6. Welding transformer according to claim i, characterized by a fixedly arranged Streuj och, its iron path is influenced by an excitation that changes in rhythm with the welding current frequency.

7. Welding transformer according to claim 6, characterized by such an arrangement the excitation winding of the streujoch so that it is not linked to the scattering path is. B.

Welding transformer according to Claim 6, characterized in that one dem Net removed Excitation current adjustable in its phase position is. G.

Welding transformer according to claim 6 for connection to a three-phase network, characterized in that the excitation winding of the welding transformer to a of the two conductors feeding the primary winding and connected to the third conductor is. ok

Welding transformer according to Claim 6, characterized in that the excitation of the streujoches takes place through alternating current, the through additional oscillation or iron-saturated circles is deformed. ii.

Welding transformer according to claim 6, characterized in that the excitation winding of the Streujoches in the welding circuit or a component thereof or the welding voltage. 1a.

Welding transformer according to claim 6, characterized in that the excitation current of the scattering path in its amplitude can be adjusted by a control device for the power of the transformer is.

13. Welding transformer. according to claim 6, characterized by the use pulsating or chopped up direct current to excite the stray puff. 1q ..

Welding transformer according to claim 13, characterized in that the interrupter device for the Direct current is driven by a synchronous motor fed by the mains.

15th Welding transformer according to Claim 2 or the following, characterized by the simultaneous Application of the mechanical and electrical influence of a scattering path.