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Einrichtung zum elektrischen Schweißen, insbesondere Widerstandsschweißen,
mit Batteriespeicherung der Schweißenerclie Bei der elektrischen Schweißung, insbesondere
der Punktschweißung, wird das die Schweißeinrichtung speisende Versorgungsnetz ständig
starken Stoßbelastungen ausgesetzt. In vielen Fällen ist das Netz aber nicht in
der Lage, die für die Schweißung erforderlichen hohen Momentanwerte an Stromstärke
bzw. Leistung abzugeben. Dies gilt im besonderen Maße für die Wechselstromschweißung,
wobei sich oft, z. B. bei Punktschweißmaschinen, infolge von großen Armausladungen
der Schweißelektroden ein derart hoher induktiver Spannungsabfall im Schweißkreis
ergeben kann, daß die Anschlußleistung (Scheinleistung) der Schweißeinrichtung unter
Umständen ein Mehrfachen der erforderlichen effektiven Schweißleistung (Wirkleistung)
beträgt. Die Folge ist, insbesondere bei einphasigem Anschluß an Drehstromnetze,
eine starke Beunruhigung des Speisenetzes.
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Man hat bereits versucht, diese Schwierigkeiten dadurch zu beheben,
daß Sch-,veißeinrichtungen verschiedener Art und Größe mit Gleichstrom an Stelle
von Wechselstrom gespeist werden. Rotierende. Gleichstromerzeuger, wie z. B. Schweißumformer
und auch Schweißgleichrichter, konnten hier allerdings nur bedingt und keineswegs
für alle Verwendungszwecke Abhilfe schaffen. Es werden z. B. häufig, insbesondere
bei der Widerstandsschweißung von Leichtmetallen, so hohe Schweiß-
Stromstärken
benötigt, daß sie von Schweißumformern und Schweißgleichrichtern mit wirtschaftlichem
Aufwand nicht zu erzeugen sind. Aber schon für kleine und mittlere Stromstärken
bzw. Leistungen sind die genannten Gleichstromquellen meist zu groß, zu schwer.und
damit unbeweglich und teuer. Ein weiterer Nachteil besteht - wie bei der Wechselstromschweißung
- in der starken Stoßbelastung des Netzes, so daß der Einsatz der bekannten. Einrichtungen
bei schwachen Versorgungsnetzen oft nur in belastungsarmen Zeiten möglich ist oder
manchmal überhaupt .ausscheiden muß.
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Durch die Erfindung wird es möglich, die bei der Anwendung von Gleichstrom
erzielten Vorteile beizubehalten und die genannten Nachteile zu vermeiden.
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Die Erfindung schafft eine Einrichtung zur elektrischen SAweißung,
insbesondere Widerstandsschweißung, wobei die Schweißenergie einer Ladestromquelle
beliebiger Art entnommen und -in einer Speicherbatterie gespeichert wird. Sie besteht
darin, daß als Schweißstromquelle eine aus mehreren Einheiten bestehende Speicherbatterie
verwendet ist, deren Einheiten durch eine Schaltvorrichtung während der Schweißzeit
in Parallelschaltung auf den Schweißkreis geschaltet und in den Schweißpausen in
Reihenschaltung an die Ladestromquelle angeschlossen sind.
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Auf diese Weise wird gegenüber den bekannten Schweißeinrichtungen
der Vorteil erzielt, daß durch die relativ langsame Aufladung der den Schweißstrom
liefernden Batterie während der Schweißpausen eine starke Stoßbelastung des Netzes
vermieden wird. Die Anwendung einer Einrichtung nach der Erfindung ist daher bei
schwachen Versorgungsnetzen von besonderem Vorteil und wird das Schweißen bei solchen
Netzverhältnissen oft überhaupt erst ermöglichen.
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Das Problem der Energiespeicherung für Schweißzwecke ist nun zwar
an sich alt, es sind indessen noch keine Verfahren und Einrichtungen bekanntgeworden,
*bei denen niit wirtschaftlichem Aufwand ein praktisch einsatzfähiges Speicherglied
geschaffen. worden wäre, dem die zum Schweißen zweier Werkstücke benötigte Energie
entnommen werden kann. Es ist unter anderem auch bereits wiederholt vorgeschlagen
und versucht worden, Sammlerbatterien dafür zu verwenden; aber es ist bei diesen
Versuchen geblieben. Verfahren und Einrichtungen der genannten Art konnten bisher
keinen Eingang in die Praxis finden.
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Die bekannten. Einrichtungen für die sogenannte Kondensatorimpulsschweißung
bzw. Kondensatorstoßentladungsschweißung. weisen zwar eine ge-. wisse Verwandtschaft
mit der neuen Einrichtung auf; sie arbeiten. jedoch mit Hochspannung und haben die
im' folgenden beschriebenen Nachteile: Durch die Abstellung auf Hochspannungsbauelemente,
wie einen Hochspannüngsgleichrichter-bestehend aus Hochspannungstransformator und
Hochspannungsventil - und einer Hochspannungs= kondensatorbatterie, wenden der Aufwand
und damit die Kosten der bekannten Kondensatorstoßschweißeinrichtung relativ hoch.
Beim Kondensatorimpulsschweißverfahren kommt ferner noch ein sogenannter Impulsumspanner
hinzu, welcher eine Sonderfertigung erfordert. Von Nachteil ist überdies allein
schon die Gefährdung des Bedienungspersonals durch die Anwendung von Hochspannung.
Außerdem bedingt die hohe Spannung aus Sicherheits- und Isolationsgründen größere
Abmessungen-Durch die Erfindung werden auch die Mängel dieser bekannten Einrichtungen
vermieden und eine Schweißeinrichtung geschaffen, die ,nur einen Bruchteil an Aufwand
und damit an Herstellungskosten erfordert, bei der man über die üblichen Spannungen
nicht hinauszugehen braucht, und deren Abmessungen und Gewichte in Abhängigkeit
von der Leistung so klein gehalten werden. können, daß sie leicht beweglich und
auch bei ungünstigen Platzverhältnissen einsetzbar ist.
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An Hand eines in der Zeichnung därgestellten Ausführungsbeispieles
wird die Erfindung nach- . stehend näher beschrieben.
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Die Figur zeigt den Schaltungsaufbau der Gesamtanordnung im Prinzip.
Mit i, 2 und.3 sind Einheiten einer aus mehreren solcher Einheiten bestehenden Speicherbatterie
q. bezeichnet, welche zur Aufladung über Kontakte 5 i, 52 (Ladekontakte) in Reihe
geschaltet und über. Leitungen 6 und 7 an eine Ladastromquelle 8 angeschlossen sind.
Über Kontakte 9i bis 96 (Entladekontakte) sind die Einheiten i, 2, 3 der Speicherbatterie
q. (nach " Öffnen der Ladekontakte) parallel schaltbar. Über die Leitungen io, ii
sind die Schweißelektroden i2 angeschlossen. Mit 13 ist die Schweißstelle bezeichnet.
Bei 1q. ist eine Schaltvorrichtung `angedeutet, welche das Schließen und öffnen
der Lade- und Entladekontakte steuert. Von der Schaltvorrichtung 14 kann außerdem
ein Ladeschalter 15 gesteuert sein; der die Ladestromquelle 8 während der Auf-Ladezeiten
an das Netz schaltet. In Abhängigkeit von der Schaltvorrichtung 14 steht zweckmäßig
schließlich auch eine bei 16 angedeutete Elektrodenkraftsteuerung, welche vor dem
Schließen der Ent Ladekontakte 9i. bis 96 den Antrieb zur Bewegung einer der Elektroden
und Ausübung der Elektrodenkraft auf hydraulischem, pneumatischem oder auch elektromechanischem
Wege bewirkt.
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. Die Schaltvorrichtung i¢ kann verschiedener Art sein. Sie kann beispielsweise
ein Kontaktwerk enthalten, das nach einem vorbestimmten Programm, d. -h. also zeitabhängig,
auf rein mechanischem Wege die Schaltmittel für die Parallelschaltung (Entladekontakte)
und für die Reihenschaltung (Ladekontakte) betätigt. Das Kontaktwerk kann z. B.
in an sich bekannter Weise, z. B. mittels einer Steuernockenwalze, auf unter Federdruck
stehende Klotzkontakte arbeiten. Es kann dadurch eine beliebige Anzahl von Kontakten.
zuverlässig und gleichzeitig und/oder in einem bestimmten Rhythmus geschaltet werden.
Der Antrieb der Steuernockenwalze kann zweckmäßig durch einen nicht dargestellten
kleinen Motor erfolgen, der an das Wechselstromnetz angeschlossen sein kann. An
Stelle
der beschriebenen mechanischen Steuerung kann die Schaltvorrichtung 1q. auch einstellbare
elektrische Steuermittel bekannter Art enthalten, wie z. B. Zeitrelais oder elektronische
Schalter in Verbindung mit elektrischen. Zeitkreisen, welche die verschiedenen Schaltmittel
zur Ladung und Entladung - in diesem Falle vorzugsweise Schaltschütze - direkt oder
indirekt betätigen. Es ist z. B. auch möglich, -das Kontaktwerk mit einer Steuernockenwalze
auszurüsten, welche die Entladekontakte unmittelbar betätigt und in Steuerabhängigkeit
hiervon über weitere Nocken und/oder elektrische Zeitkreise die Schaltfolge für
die Ladekontakte und den Ladeschalter sowie den Elektrodenantrieb steuert.
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Zur Veränderung der Einstellung der Kontaktzeiten und der Kontaktfolge
können die Kurven-oder Nockenscheiben der Steuerwalze auswechselbar und/oder gegeneinander
verstellbar sein. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen erfolgt die Steuerung der Kontakte
in der Weise, daß die Entladekontäkte erst nach dem Öffnen der Ladekontakte geschlossen
und vor deren Schließen geöffnet werden bzw. daß die Ladekontakte vor dem Schließen
der Entladekontakte geöffnet und erst nach deren Öffnen geschlossen werden.
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Um die Entladezeit beeinflussen zu können, kann es vorteilhaft sein,
den ohmschen und/oder induktiven Widerstand des Schweißstromkreises zu verändern,
z. B. durch Änderung der Batteriezellenzahl, Umschließen eines Schweißstromleiters
mit einem in sich geschlossenen Eisenring od. dgl. Maßnahmen.
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Um eine möglichst geringe Stoßbelastung des Netzes zu erreichen, ist
es vorteilhaft, zur Rufladung der Speicherbatterie mindestens annähernd die ganze
Dauer der Schweißpausen auszunützen. Für die Gleichstrompunktschweißung ist das
auch zur Erzielung einer möglichst raschen Punktfolge von Bedeutung.
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Die Ladestromquelle 8 besteht bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel
aus einem Einwegladegleichrichter mit sterngeschalteten Gleichrichterventilen 17,
vorzugsweise Trockengleichrichtern, und einem zugeordneten Spartransformator 18
mit einstellbaren Spannungsabgriffen z9. Die Ladestromquelle bzw. ihr Transformator
kann - wie dargestellt - an ein Drehstromnetz mit Nulleiter angeschlossen sein.
Statt des Spartransformators kann jedoch auch ein Zweiwicklungstransformator in
Verbindung mit den üblichen Gleichrichter-Schaltungen zur symmetrischen Belastung
des Speisenetzes verwendet werden.
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Die Schaltmittel zum Ein- und Ausschalten des Ladestromes, z. B. ein
Ladeschalter, Z 5, werden zweckmäßig auf die Primärseite des Transformators gelegt
und derart von der Schaltvorrichtung bzw. dem Kontaktwerk gesteuert, daß sio erst
nach dem Schließen der Ladekontakte geschlossen und bereits vor dem Öffnen der Ladekontakte
geöffnet werden, damit diese Kontakte stromlos geschaltet werden können. Es kann
auch zweckmäßig sein, auf der Wechselstromseite außerdem an sich bekannte Mittel
zur Einstellung der Ladestromstärke, wie z. B. Regeldrosseln, Transformatoranzapfungen
oder auch gegebenenfalls Vorschaltwiderstän.de, vorzusehen. An Stelle einer Gleichrichterschaltung,
eines Ladeschalters und besonderer Einstellmittel. für den Ladestrom können mit
besonderem Vorteil zum Gleichrichten und gleichzeitigen stufenlosen Einstellen des
Ladestromes auch gitter- oder zündstiftgesteuerte Entladungsgefäße verwendet werden,
wobei deren Durchgangsstrom in an sich bekannter einfacher Weise durch Verstellen
des Zündwinkels praktisch verlustlos verändert werden kann.
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Die Aufladezeit der Speicherbatterie kann ihrer Entladezeit, d. h.
der Schweißzeit, durch die Einstellung der Schaltvorrichtung bzw. des -Kontaktwerkes
-derart angepaßt werden, daß die der Batterie während der Gesamtdauer der Aufladung
zugeführte Energiemenge praktisch nicht oder jedenfalls nur unwesentlich größer
ist als die für den folgenden Schweißabschnitt, z. B. einen Schweißpunkt, erforderliche
Energiemenge.
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Die Ladezeit kann ein Mehrfaches, beispielsweise etwa das Fünffache
(gegebenenfalls auch das Zehnfache oder mehr) der Schweißzeit betragen. Die Ladezeit
und die Höhe des Ladestromes können in Abhängigkeit von der erforderlichen Schweißenergie,
in Abhängigkeit von der Bemessung der Batterie und von den Netzverhältnissen in
weiten Grenzen gewählt und eingestellt werden. Es ist ohne weiteres verständlich,
daß bei einer Ausdehnung der Ladezeit trotz eines schwachen Versorgungsnetzes in
einer entsprechend bemessenen. Speicherbatterie eine relativ große Energiemenge
gespeichert werden kann. Daher sind seihst bei schwachen Netzverhältnissen mit Einrichtungen
nach der Erfindung ohne merkliche Netzbeunruhigungen Schweißungen ausführbar, die
sehr hohe Schweißströme erfordern.
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Das Problem der Abschaltung des hohen Schweißstromes durch das Öffnen
der Arbeitskontakte kann gemäß der Erfindung dadurch gelöst werden, daß
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wie oben bereits erläutert - der Batterie während der Rufladung praktisch nur so
viel Energie zugeführt wird, wie für die einzelne Schweißung benötigt wird. Am Ende
der Schweißzeit ist dann der Entladestrom auf eine für die Öffnung der Entladekontäkte
nicht mehr schädliche Höhe abgeklungen. Für die Speicherbatterie kann es daher gegebenenfalls
ausreichen, wenn sie mit nicht oder nur schwach forrniertert Elektroden ausgerüstet
ist. Es kann dadurch bekanntlich eine schnellere Auf-und Entladung erreicht werden.
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Als Sicherheitsmaßnahme gegen das gefürchtete Verschmoren von Kontakten
beim Öffnen von Gleichstromkreisen können auch an sich bekannte Maßnahmen, wie z.
B. Strombegrenzungswiderstände (Zellenschalterprinzip), angewendet werden.
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Die neue Einrichtung erfordert relativ geringen Aufwand und Raum;
sie kann daher gegebenenfalls zusammen mit dem Ladegerät zu einer Baueinheit zusammengefaßt
werden. Dies ergibt den Vorteil, daß sie auch als bewegliches Zusatzgerät für verschiedenartige
Schweißeinrichtungen verwendet
werden kann. So ist es beispielsweise
möglich, mit ihrer Hilfe Punktschweißzangen, Stoßelektroden oder auch Bolzenschweißpistolen
zu betreiben, wobei zur Erzeugung eines kurzzeitigen sehenden Lichtbogens für das
Bolzenschweißen eine entsprechende Anzahl von Batterieeinheiten in Reihe geschaltet
sein kann. Die-neue Einrichtung kann aber auch als Stromquelle überall dort verwendet
werden, wo kurzzeitige hohe Gleichstromimpulse von bestimmtem Energieinhalt, insbesondere
zu Erwärmungszwecken, benötigt werden.