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Steuerung des Elektroden-Vorschubes bei Lichtbogenschweißautomaten
Lichtbogenschweißmaschinen haben die Aufgabe, einen von einer Haspel abrollenden
Draht so vorzuschieben, daß die eingestellte Lichtbogenlänge zwischen dem abschmelzenden
Ende des Elektrodendrahtes und dem Werkstück möglichst konstant bleibt. Außerdem
müssen sie zur Einleitung des Schweißvorganges den Lichtbogen zünden, d. h. den
Draht bis zur Berührung finit dem Werkstück vorschieben und ihn dann zur Erzeugung
des Lichtbogens kurz zurückziehen. Der Antrieb erfolgt durch einen Elektromotor,
und es entsteht nun die Aufgabe, die Vorschubgeschwindigkeit und Vorschubrichtung
des Drahtes entsprechend den Vorgängen im Lichtbogen zu steuern. Bisher hat man
für die Lösung dieser Aufgabe im allgemeinen normale Drehstrommotoren verwendet
und die Drahtbewegung durch Ein- und Ausschaltung entsprechender mechanischer, elektromagnetischer
oder ähnlicher Kupplungen betätigt.
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Es ist auch bekannt, den Motor als Gleichstrommotor auszubilden und
über ein Entladungsgefäß zu steuern. Eine Glimmlampe im Gitterkreis sorgt für die
Strombegrenzung. Diese Einrichtung kann aber nicht den Schweißvorgang vollständig
regeln. Ferner ist bekannt, den Motor über Gleichrichter zu speisen, ohne eine Geschwindigkeitssteuerung
durchzuführen. Nur teilweise ist mit den bekannten Anordnungen eine Drehrichtungsumkehr
möglich. Andererseits ist die Drehrichtungsumkehr und die Geschwindigkeitsregelung
von Vorschubmotoren für den Elektrodendraht bekannt.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, einen Gleichstrommotor zum
Antrieb einer Lichtbogenschweißmaschine zu verwenden, z. B. unter Benutzung
sogenannter
magnetischer Verstärker. Die vorliegende Erfindung hat es sich zur Aufgabe gestellt,
eine Steuerung für eine Lichtbogenschweißmaschine zu schaffen, die über das bisher
Bekannte hinaus eine besondere, beim Zünden neuartige Arbeitsweise zeigt. Aus den
zu fordernden Bedingungen, die man an eine Lichtbogenschweißmaschine stellt, folgt
für die elektrische Steuerung die Aufgabe, den Vorschub des Drahtes so zu beeinflussen,-
daß er bei steigender Lichtbogenapannung schneller läuft, bei zu kleiner Lichtbogenspannung
langsamer läuft und bei Unterschreitung einer bestimmten Lichtbogenspannung bzw.
bei der Lichtbogenspannung o (Kurzschluß) die Drehrichtung bzw. Richtung des Schweißdrahtes
umkehrt.
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Wenn man eine Steuerung für die Drehrichtungsumkehr baut, so, ergibt
sich noch eine Unvollkommenheit insofern, daß beim Zünden des Lichtbogens der Schweißdraht
mit großer Geschwindigkeit auf das Werkstück zuläuft, da j a beim Zünden die Leerlaufspannung
der Schweißstromquelle beispielsweise eines Schweißgenerators, die meist verhältnismäßig
hoch über der Schweißspannung liegt, zwischen Draht und Werkstück herrscht. Infolge
dieser hohen Spannung läuft der Vorschub mit seiner größten Geschwindigkeit. Dieses-
hat den Nachteil, daß beim Auftreffen des Drahtes auf das Werkstück einerseits ein
großer Kontaktdruck entsteht, andererseits infolge der hohen Schwungenergie eine
nennenswerte Zeit vergeht, bis die bewegten Massen abgebremst und in der anderen
Richtungbeschleunigt werden. Infolgedessenbesteht stets die Gefahr, da.ß der Draht
am Werkstück festschweißt mit allen daraus folgenden Nachteilen. Es wird daher eine
Steuerung des Elektroden-Vorschixbes bei Lichtbogenschweißautomaten unter Verwendung
von steuerbaren Entladungsstrecken, wobei im Arbeitsbereich auf konstante Lichtbogenspannung
durch Geschwindigkeitseinstellung des Motors und selbsttätiger Drehrichtungsumkehr
bei Unterschreitung eines bestimmten Spannungswertes geregelt wird, vorgeschlagen,
außer diesen Entladungsgefäßen für den Umkehrantrieb erfindungsgemäß -steuerbare
Schaltmittel vorzusehen, die in Abhängigkeit von der Elektrodenspannung bei Überschreitung
eines vorzugebenden Spannungswertes auf die Entladungsgefäße der Umkehrsteuereinrichtung
einwirken und die Stromzufuhr für den Motor drosseln. Das geschieht vorzugsweise
auf die Weise, daß die Schaltmittel bei- der genannten Überspannung einen Strom
in den Steuerkreis der vorzugsweise als gesteuerte Entladungsstrecken ausgebildeter,
Steuermittel schicken und so den Zündwinkel in der Phase verschieben, um den durchgelassenen
Strom für den Motor zu begrenzen. Es wird so der Drahtvorschub bei Auftreten der
Leerlaufspannung der Schweißstromquelle, also bei Überschreiten einer bestimmten
Spannungsgrenze, beispielsweise 45 V, auf eine erheblich verkleinerte Geschwindigkeit
gebracht. Dadurch wird erzielt, daß das Auftreffen des Drahtes auf das Werkstück
keinen starken Kontaktdruck hervorruft, daß außerdem das Umkehren der Draht= vorsehubeinrichtung
in verhältnismäßig kurzer Zeit erfolgen kann, wodurch die Gefahr des Festschweißens
des Drahtendes am Werkstück nicht mehr besteht.
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Als Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Meß- oder
Fühlkreis für die Elektrodenspannung zur Regelung nur auf diejenige Entladungsstrecke
einwirkt, die die Stromzufuhr für den Motor bei normalem Elektroden-Vorschub, also
während des eigentlichen Schweißvorganges, steuert. Weitere Schaltmittel sollen
nun im Gitterkreis der gegensinnig parallel. geschalteten Entladungsstrecke vorgesehen
sein, die zur Drehrichtungsumkehr den Stromfluß dieser Entladungsstrecke nur dann
freigeben, wenn die erste dieser Entladungsstrecken durch die Regeleinrichtung gesperrt
gehalten wird. Zur Ausführung der Erfindung sei nachstehendes Ausführungsbeispiel
beschrieben: In Fig. i der Zeichnung bezeichnet i das Werkstück, z den Elektrodendraht,
3 das Vorschubritzel, das über ein Getriebe von dem Motoranker 4 angetrieben wird.
Der Motor wird von seiner Feldspule 5 her erregt, die von einer nicht dargestellten
konstanten Gleichstromquelle gespeist wird. Die Wicklung 6 eines Transformators
erzeugt eine Wechselspannung, die erheblich über der für den Gleichstromanker 4
notwendigen Gleichspannung liegt. Um den Anker 4 in Vorschubrichtung zu drehen,
muß er Strom.bekommen, bei dem im Bilde die Stromrichtung von oben nach unten im
technischen Sinn verläuft. Diesen Strom liefert die gittergesteuerte Entladungsstrecke
7. Dieses Rohr ist ein _ gittergesteuertes Quecksilberdampfentladungsgefäß, d. h.
ein sogenanntes Ionenrohr, bei dem sich bekannlieh die Entladung durch das Gitter
nur einleiten, aber nicht in ihrer Stärke beinflussen läßt. Im Kreis dieses Rohres
7 und des Ankers 4 liegen noch die Widerstände 8, io und i i, von denen der letztgenannte
einstellbar ist. Parallel zu dem Widerstand 8 liegt der Kondensator g. Das Rohr
7 liefert in den Anker 4 einen Strom, dessen Stärke mit der Spannung im Lichtbogen
steigt und fällt, -wie es die gestellten Bedingungen erfordern. Zu diesem Zweck
sind im Gitterkreis des Rohres 7 folgende Maßnahmen getroffen: Vor dem Gitter des
Rohres liegt der Gitterschutzwiderstand 12, vor diesem ein Phasenschiebekreis, der
aus der Transformatorsekundärwicklung 13, dem Kondensator 14 und dem Widerstand
15 besteht. An Stelle des Kondensators 14 kann auch ohne weiteres eine Induktivität
(Drossel) verwendet werden. Dieser Phasenschiebekreis ist so ausgeführt, daß der
Scheinwiderstand des Kondensators 14 mit dem Widerstand 15 ungefähr gleich ist,
wodurch zwischen der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung 13 und der Verbindungsleitung
zwischen Kondensator 14 und Widerstand 15 eine um 9o° phasenverschobene Wechselspannung
entsteht. Diese Wechselspannung liegt also am Gitter des Rohres 7. Ferner ist im
Gitterkreis noch das Potentiometer 16 vorhanden, das von der Wechselstromquelle
17 über- die Gleichrichten
18 gespeist wird und einen Glättungskondensator
i9 besitzt. Dieses Potentiometer 16 ist so geschaltet, daß oben der Minuspol und
unten der Pluspol ist. In Gegenschaltung zu dem Potentiometer 16 befindet sich der
vom Lichtbogen zwischen 2 und i bzw. der dazwischen. herrschenden Leerlaufspannung
des Generators gespeiste Widerstand 2o. Die Verbindung zwischen dem Lichtbogen und
dem Widerstand 2o wird durch einen Polwendeschalter 2i hergestellt. Dieser gestattet,
die richtige Polung herzustellen, wenn einmal aus bestimmten Gründen mit positiver
Elektrode und negativem Werkstück ausnahmsweise geschweißt werden muß. Die am Potentiometer
16 abgegriffene Spannung und die Lichtbogenspannung sind gegeneinander geschaltet,
so daß am Widerstand 22, der im Gitterkreis der Röhre 7 liegt, die Differenzspannung
auftritt. Ist diese Differenzspannung positiv gegen das Gitter gerichtet, so ist
das ein Zeichen dafür, daß die Lichtbogenspannung die am Potentiometer 16 abgegriffene
Gegenspannung überwiegt, und umgekehrt. Das Potential des Gitters gegenüber der
Kathode des Rohres 7 ist daher positiv, wenn die Lichtbogenspannung hoch ist, und
negativ, wenn sie niedrig ist. Da außerdem im Gitterkreis noch die aus dem Phasenschiebekreis
herrührende um 9o° phasenverschobene Wechselspannung besteht, ergibt sich in der
dargestellten Schaltung, daß sich der Zündzeitpunkt des Rohres 7 innerhalb der positiven
Halbwelle- der Anodenspannung zeitlich nach vorn schiebt, wenn das Gitterpotential
stärker positiv wird, und zeitlich nach hinten verschoben wird, wenn das Gitterpotential,
tierrührend vom Widerstand 22, negativ wird.
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Die Fig.2 verdeutlicht diese Erscheinung. Die Folge davon ist, daß
der gewünschte Effekt eintritt, d. h. mit größ-erwerdender Lichtbogenspannung der
Motorstrom und damit die Motordrehzahl ansteigt, und umgekehrt. Wenn das Rohr 7
auf diese Weise den Motoranker 4 speist, entsteht am Widerstand 8 ein Spannungsabfall,
der als Ladung des Kondensators 9 kurzzeitig festgehalten wird. Dieser Kondensator
9 liegt mit einem Widerstand 3 i im Gitterkreis des Rohres 23, das ebenfalls in
dem Stromkreis des Ankers 4, aber in umgekehrter Richtung eingeschaltet wird und
den Anker über den Widerstand 24 in umgekehrter Richtung speisen kann, wenn es stromdurchlässig
ist. Solange das Rohr 7 den Anker 4 speist; ist durch den in jeder Halbwelle neu
zeladenen Kondensator 9 das Rohr 23 ständig gesperrt. Die Strombrücken überbrückt
der Kondensator 32. Sobald beim Zünden des Lichtbogens der Draht 2 das Werkstück
i berührt, fällt die Spannung am Widerstand 2o auf Null, und die am Potentiometer
16 abgegriffene Gegenspannung wirkt allein auf den Widerstand 22.. Das bedeutet,
daß das Gitter des Rohres 7 derart stark negativ wird, daß das Rohr absolut gesperrt
wird.
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In diesem Fall wird nach zwei bis drei Halbwellen Dauer der Kondensator
9 derart stark entladen sein, daß die Sperrung des Rohres 23 aufgehoben wird, so
daß der Anker 4 nunmehr in umgekehrter Stromrichtung gespeist wird. Dies bewirkt
ein schnelles Abbremsen und eine Umkehrung der Drehrichtung des Motors. Sobald die
Lichtbogenspannung wieder eine nennenswerte Höhe erreicht hat, zündet das Rohr 7
wieder. Dieser erste Stromstoß bremst nicht nur den Anker ab, sondern lädt auch
den Sperrkondensator 9 erneut auf, so daß das Rohr 23 nicht mehr zündet und das
Rohr 7 seine normale Funktion des Drahtvorschubes wieder aufnehmen kann.
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Mit der bisher beschriebenen Einrichtung wäre es an und für sich schon
möglich, eine Lichtbogenschweißmaschine zu betreiben, jedoch zeigt dieser noch die
eingangs beschriebenen Eigenschaften, daß bei nicht gezündetem Lichtbogen der Drahtvorschub
mit einer viel zu großen Geschwindigkeit zum Zweck des Zündens erfolgt. Um dem zu
begegnen, ist noch das Hilfsrohr 25 als zusätzliches Schaltmittel vorgesehen. Der
Gitterkreis dieses Rohres weist in Gegeneinanderschaltung die Spannung des Lichtbogens
(am Widerstand 2o) und die Spannung des Potentiometers 16 auf. Das Potentiometer
16 weist eine derartige Spannung auf, daß unter normalen Schweißbedingungen, d.
h. bis zu einer maximalen Spannung von ungefähr 45 V, wie sie beim Lichtbogenschweißen
höchstens auftritt, das Gitter des Rohres 25 stets so stark negativ ist, daß das
Rohr 25 ständig gesperrt bleibt. Wenn jedoch zum Zwecke des- Zündens zwischen der
Elektrode 2 und dem Werkstück i die Leerlaufspannung des Generators herrscht, dann
ist die Spannung am Widerstand 2o so hoch, daß das Rohr 25 zur Zündung gebracht
wird. Als Anodenspannung des Rohres 25 wird die Spannung einer Wicklung 27 benutzt.
Diese ist so geschaltet, daß sie an sieh mit der. Spannung der Transformatorwicklung
6 phasengleich ist; da sie aber mit ihrem unteren Ende an der Anode der Röhre 25
liegt, ist die Anodenspannung des Rohres 25 in Phasenopposition zu der des Rohres
7. Wenn also das Rohr 25 zündet, fließt in der stromlosen Zeit des Rohres 7 im Anodenkreis
des Rohres 25 ein Stromstoß, der sich über die Widerstände 28, 29 und 22 schließt.
Die Widerstände 28 und 29 sind verhältnismäßig hochohmig, so daß ein verhältnismäßig
kleines Rohr genügt.
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Durch den Spannungsabfall am Widerstand 29 wird der Kondensator
30 aufgeladen, der sich in der folgenden stromlosen Halbwelle langsam über
den Widerstand 29 entlädt. Die Ladung des Kondensators 3o erfolgt dabei dermaßen,
daß seine negative Belegung nach dem Gitter weist. Dadurch wirkt die Spannung am
Kondensator 3o der Spannung am Widerstand 22 entgegen, und die Spannungsgrößen werden
so gewählt, daß das Gitter des Rohres 7 gerade so stark negativ beaufschlagt wird,
daß sich der Zündzeitpunkt des Rohres 7 so weit nach hinten verschiebt, daß der
Anker q. nur einen geringen Strom und damit eine kleine Drehzahl erhält. Auf. diese
Weise wird erreicht, daß das Zünden mit einer kleinen Geschwindigkeit und allen
oben beschriebenen daraus folgenden Vorteilen erfolgt.
Die Fig.
2 zeigt den Verlauf des Motorstromes IM als Stellgröße des Regelkreises in
Abhängigkeit von der Lichtbogenspannung Uy. Wie ersichtlich, ermöglicht die beschriebene
Anordnung eine selbsttätige Regelung der gesamten Schweißung. Vom Kurzschluß (Elektrodenspannung
bis zur Leerlaufspannung des Transformators, dem höchsten Spannungswert, arbeitet
der Regler in jedem Bereich sicher in gewünschter Weise, ohne äaß ein Eingriff von
außen nötig wäre. Bis zum Spannungswert Ui herrscht rückläufige.Elektrodenbewegung;
von U > Ui bis U C U2 ist etwa der normale Schweißbereich, und U2 ist der Merspannungswert,
von dem an die Drosselung für den .Ankerstrom einsetzen soll. U, ist die Leerlaufspannung.
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Die beschriebene Schaltung zeigt nur ein Beispiel. Es ist auch möglich,
beispielsweise den Kondensator 14 des Phasenschiebekreises durch einen magnetischen
Verstärker zu -ersetzen und dessen Induktivität durch eine Vormagnetisierung zu
ändern, die beispielsweise dieselbe Spannung wie jetzt der Widerstand 22 erhält.
Dadurch wird erreicht, daß bei gleichbleibendem Widerstand 15, aber veränderter
Induktivität 14, ebenfalls eine Verschiebung des Zündzeitpunktes des Rohres 7 durch
Phasenverschiebung der im Gitterkreis herrschenden Wechselspannung erfolgt. Die
beiden Potentiometer 16 und i i dienen zum normalen Einstellen der Steuerung, und
zwar wird zweckmäßig das Potentiometer i i zum Einstellen der Grundgeschwindigkeit
des Motors verwendet und kann auch zum Einrichten auf die verwendete Drahtsorte
bzw. den Drahtdurchmesser dienen. Das Potentiometer 16 dagegen dient zum Einstellen
der Arbeitsspannung am Lichtbogen.