DE963092C - Schaltanordnung fuer die Wechselstrom-Lichtbogenschweissung zur kurzzeitigen Erhoehung der Schweiss-Spannung nach Unterbrechung der Spannung - Google Patents

Schaltanordnung fuer die Wechselstrom-Lichtbogenschweissung zur kurzzeitigen Erhoehung der Schweiss-Spannung nach Unterbrechung der Spannung

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DE963092C
DE963092C DEP13528A DEP0013528A DE963092C DE 963092 C DE963092 C DE 963092C DE P13528 A DEP13528 A DE P13528A DE P0013528 A DEP0013528 A DE P0013528A DE 963092 C DE963092 C DE 963092C
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welding
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Dr-Ing Habil Werner Kraemer
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00Arc welding or cutting
    • B23K9/06Arrangements or circuits for starting the arc, e.g. by generating ignition voltage, or for stabilising the arc
    • B23K9/073Stabilising the arc
    • B23K9/0738Stabilising of the arc by automatic re-ignition means

Description

  • Schaltanordnung für die Wechselstrom-Lichtbogenschweißung zur kurzzeitigen Erhöhung der Schweiß-Spannung nach Unterbrechung der Spannung Zur Stabd.li-sierung eines Wechsel:stromlichtbogens zwischen Metallen ist es notwendig, daß im Augenblick des Nulldurchgangs des Schweißwechs.elstrotnes die Spannung an der Schweißelektrode ansteigt, um den erhöhten Widerstand des durch Abkühlung stark entionis.ierten L.ichtbogenpfades zu überwinden. Es muß daher der im Augenblick des Stromnulldurchgangs an der Elektrode liegende Augenblickswert derLeerlaufsp,annungdes Schweißtransformators höher sein als diie L.ichtbogenspannung während der Brenndauer.
  • Es ist bekannt, daß die Stabilität eines Wechselstromlichtbogens in einem vorwiegend induktiven Stromkreis mit der Höhe der angelegten Wechselspannung steigt, da diese Wechselspannung bei einer Unterbrechung des Lichtbogens im Stromnulldurchgang als Zündspannung auftritt. Bei Wechselstrom-Schweißgeräten ist man jedoch in der Höhe der Leerlaufspannung an einen Grenzwert von 7o bis 75 V gebunden, da höhere Werte die Sicherheit des Schweißers gefährden bzw. Isolationsvorkehrungen bedingen, die im Betrieb einer Schweißerei nicht zu verwirklichen sind. Man ist daher, vor allem bei kleineren Schweißstromstärken, gezwungen, durch ummantelte Elektroden einen leichteren Zündeinsatz zu erzielen. Nachteilig an diesem Verfahren ist die durch die Ummantelung bedingte erhebliche Erhöhung des Elektrüdenpreises.
  • Gemäß der Erfindung wird dieser Nachteil bei der Einrichtung zur Wechselstrom-Lichtbogenschweißung mit einer Schaltanordnung zur kurzzeitigen Erhöhung der Schweiß-Spannung nach Unterbrechung bzw. Nulldurchgang der Spannung, bei der, um die Spannung nach ihrer Erhöhung wieder auf einen dauernd zulässigen Wert zu senken, im Sekundärkreis des Transformators dynamisch oder elektrisch verzögerte Widerstandselemente vorgesehen sind, durch eine Kombination folgender, an sich bekannter Schaltmaßnahmen vermieden: ä) Die Schaltelemente sind nicht kompensiert und b) als Indukti.vitäten mindestens teilweise parallel zum Lichtbogen bzw. als Kapazitäten in Reihe mit dem Lichtbogen geschaltet, c) die Induktivitäten sind wenigstens teilweise steuerbar, d) zusätzlich zu den Kapazitäten können gegebenenfalls noch in Reihe Induktivitäten im Schweißstromkreis liegen.
  • Es ist erwünscht, daß diese erhöhte Spannung nur eine möglichst kurze Zeit nach einer Unterbrechung des Lichtbogens auftritt, dann aber selbsttätig wenigstens auf den für den Dauerbetrieb höchstzulässigen Wert von 75 V eff. herabsinkt. Zu diesem Zweck können dynamisch oder elektrisch verzögernd wirkende Schaltelemente vorgesehen werden, durch die die erhöhte Zündspannung bei ihrem Auftreten an der Schweißelektrode auf einen dauernd zulässigen Wert der Leerlaufspannung gesenkt wird. Die zum Zünden erforderliche Spannung übersteigt die bisher in -Niederspannungsnetzen üblichen Werte nicht. Da sie zur Durchführung der Zündung nur wenige Halbwellen anzudauern braucht, ist die b-ci diesen Spannungen an sich noch bestehende Gefahr der Anklammerung und der darauffolgenden elektrothermischen Schädigung des Schweißers bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ausgeschlossen. Hingegen ermöglicht die künstliche Erhöhung der Zündspannung durch die Kombination mehrerer an sich bekannter Schaltmaßnahmen gemäß der Erfindung, den bisher mit Rücksicht auf die Zündung noch zugelassenen Wert von 75 V, der aber schon mehrfach zu Unglücksfällen führte, auf den ungefährlichen Betrag von 4.o bis _2 V zu senken. -Versuche ergaben, daß die erforderliche Zündspannung UZ annähernd der reziproken Wurzel aus dem Schweißstrom proportional ist. Bezeichnet J den Schweißstrom in Amp., so@ gilt in dein technisch wichtigen Bereich für Schweißen mit blanken Elektroden angenähert die Beziehung Aus ihr ergibt sich beispielsweise für J = 5o A UZ zu etwa 250 V, bei J=3oo A sinkt UZ auf ioo V. Es empfiehlt sich daher, bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Schaltelemente derart zu bemessen, daß die Zündspannung ('z etwa den durch die Formel bestimmten Wert -annimmt. Die Figuren zeigen in zum Teil schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung und die dazugehörigen. Spannung sdiagramme.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. i ist der Schweißstromkreis während des Schweißens (Kurzschluß) über die Sekundärwicklung L`2 des Schweißtransformators i und die Elektrode 2 geschlossen, und die Spannung am Schütz q. ist niedriger als seine Ansprech- und Haltespannung, so daß es seine Kontakte geöffnet hält. Wenn jetzt der Lichtbogen und damit der Schweißstromkreis unterbrochen wird, liegt im ersten Augenblick an der Elektrode 2 die volle Leerlaufspannung U2, des Tra,nsformato@rs, die als Zündspannung UZ bedeutend höher ist als der für den Dauerbetrieb höchstzulässige Wert U2. Diese hohe Spannung liegt auch am Schütz 4., das infolgedessen anzieht, seinen Kontakt schließt und damit der Elektrode 2 eine Induktivität 3 parallel schaltet. Durch die Induktivität 3 wird der Transformator i, der wie üblich eine sehr hohe Streuung aufweist, derart belastet, daß Lr2o auf den zulässigen Wert U2 = 75 V abfällt. Die hohe Zündspannung besteht also nur während der Ansprechverzögerung des Schützes .t; ihre Dauer ist also mit der Eigenzeit des Schutzes ,I, die den Betriebsanforderungen entsprechend gewählt werden kann, identisch. Das Schütz 4 öffnet sich, sobald die an ihm liegende Spannung durch Wiederzündung des Lichtbogens oder Berührung zwischen der Elektrode 2 und dem Schweißstück genügend weit unter die Leerlaufspannung I:'2. gefallen ist.
  • Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Schütz für hohe Stromstärken dadurch vet~mieden, daß die Induktivität 3 durch eine vormagnetisierte Drossel 3 ersetzt wird, die beispielsweise durch die an der Elektrode liegende Spannung über einen Trockengleichrichter 5 vormagnetisiert wird. Beim Schweißen ist die Spannung am Lichtbogen klein, so daß die Vormagnetisierung der Drossel nur gering ist. Sie besitzt also in diesem Zustand eine hohe Induktiv ität und läßt nur einen geringen Strom durch, so daß keine nennenswerte Verminderung des für das Schweißen zur Verfügung stehenden Stromes eintritt. Bei einer Unterbrechung des Lichtbogens bleibt infolge der großen Zeitkonstante der Vormagnetisierung diese hohe Induktivität kurze Zeit bestehen. Dadurch steigt die Spannung an der Elektrode nahezu auf die- volle Leerlaufspannung U"o. Mit der mit Steigen der Elektrodenspannung zunehmenden Vormagnetisierung sinkt die Induktivität der Drossel, bis sie bei geeigneter Wahl der Vormagnetisierung einen Wert annimmt, der dem der konstanter Induktivität bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. i entspricht, und somit die Spannung an der Elektrode auf den dauernd zulässigen Höchstwert LT., = 75 V absinkt.
  • Es empfiehlt sich, in dein Vormagneti.sierungskre-is bei diesem Ausführungsbeispiel einen Schalter 4 vorzusehen, der den Gleichstromkreis der Vormagnetisierung erst nach der Unterbrechung des Lichtbogens einschaltet, so daß nach der Unter- Brechung des Lichtbogens kurze Zeit die maximale Induktivität der Drossel wirksam ist. Als Schalterd. kann in diesem Falle ein Spannungsrelais verwendet werden, das nur für die geringe Leistung der Vormagnetisierung ausgelegt zu werden braucht. Auch gasgefüllte Entladungsgefäße können die Aufgabe des Schalters übernehmen.
  • Die Einrichtung gemäß der Erfindung kann noch in mannigfacher Weise abgewandelt werden. Immer wieder kommt die Lehre zur Anwendung, die an Hand von Fig. 3 erläutert werden soll, in der L i die Streuinduktivität des Schweißtransformators und I_., die Parallelinduktivität bezeichnet. Beim Schweißen muß L./L1 möglichst roß sein, bei unterbrochenem Schweißkreis sich' jedoch derart ändern, daß, wenn U die Netzspannung bezeichnet, ist. Man kann dieses Ziel, wie Fig. ,I zeigt, auch mit einer konstanten Induktivität I_2 erreichen, wenn man Mittel vorsieht, durch die I_1 bei einer Unterbrechung des Lichtbogens sehr groß wird. Zu diesem Zweck kann ein vom Schweißstrom vormagnetisierter Streutransformator geeigneter Ausbildung oder, wie Fig. d. zeigt, eine vormagnetisierte Drossel vorgesehen werden, die mit einem normalen, nicht dargestellten Transformator, der die Leerlaufspannung liefert, in Reihe liegt.
  • Bei den bisher beschrieben-en Ausführungsbeispiel-en verläuft die Spannung nach der Unterbrechung -des Lichtbogens, wie in Fig. 7 a dargestellt ist. Man erkennt, daß dem Netz eine verhältnismäßig hohe Blindleistung entnommen wird, da sie bekanntlich beim Schweißen gleich dem Produkt aus Leerlaufspannung und Schweißstrom ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 wird dieser Nachteil vermieden. Hier liegt nämlich in Reibe mit einem Schweißtransformator oder einer Schweißdrossel L ein Kondensator. Für die resultierende Induktiv ität L" findet man L"- z ,(",.L- r Daraus folgt die Größe des Schweißstromes Wegen der Sicherheit soll U nur höchstens 75 V betragen.
  • In Fig. 6a ist zunächst das Spannungsdiagramm für den Fall dargestellt, daß die Elektrode a das die Gegenelektrode bildende Metall berührt. Im Augenblick des kontinuierlichen Nulldurchgangs des Stromes hat der Kondensator das Maximum seines Spannungsabfalles und kompensiert einen Teil des Spannungsabfalles an der Drossel.
  • Fig. 6b gibt die Verhältnisse bei Unterbrechung des Schweißstromes wieder. Bei der Unterbrechung, die immer im Nulldurchgang des Stromes erfolgt, bricht das in diesem Augenblick an der Drossel liegende Spannungsmaximum zusammen, während das Spannungsmaximum am Kondensator, der von selbst volle Ladung hat, erhalten bleibt. Diese Kondensato,rspannung addiert sich in vollem Betrag zum Augenblickswert der angelegten Spannung. Der Transformator braucht aus diesem Grund nicht für eine erhöhte Leerlaufspannung ausgelegt zu werden; vielmehr erzeugt der Kondensator die kurzzeitige Spannungserhöhung, und zwar für eine Zeit, deren Dauer durch den Isolationswiderstand bestimmt ist. Ist der Widerstand zu groß, so kann dem Kondensator ein Widerstand (p, der in Fig. 5 gestrichelt gezeichnet ist, parallel geschaltet werden. Der Widerstand 9p ist nicht nötig, wenn der Kondensator, wie z. B. in Fig.9 angedeutet, über einen Anpassungswandler angeschlossen ist. Die Netzbelastung ist nicht größer als bei einem normalen, für 75 V Zündspannung ausgelegten Schweißtransformator, wie man aus der den Spannungsverlauf in diesem Fall wiedergebenden Fig, 71) erkennt.
  • Da man für große Stromstärke eine geringe und für kleine Stromstärke eine große Erhöhung der Elektrad@enspannung zur Zündung braucht, kommt man in beiden Fällen mit der gleichen Kon!densatorschein.leistung aus. Die Anpassung des Kon densatcrs erfolgt zweckmäßig mittels eines Hilfswandlers, durch den bewirkt wird, -daß trotz des verschieden hoch einstellbaren Schweißstromes immer annähernd ,der gleiche Strom über den Kondensaitar und die Drossel fließt.
  • Ein Teil der Streureaktanz des Schweißtransformators wird durch den Kondensator kompensiert. Es empfiehlt sich deshalb, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8, den Kondensator 7 mit einer besonderen Induktivität i i zu: einem Resonanzkreis zu vereinigen, der über den Anpass,ungsv"andler 6 in den Schweißstromkreis gelegt wird. Beim Schweißen breitet der auf die Frequenz des Szhweißstrcmes abgeglichene Kreis dem Schweißstrom keinen Widerstand. Bei einer Unterbrechung des Lichtbcgens jedoch erhöht der Kondensator die an den Elektroden auftretende Spannung in der beschriebenen Weise. Man erhält also ein Zusatzgerät, das man mit jedem normalen Schweißtransformator in Reihe schalten kann; es ist somit nicht erforderlich, mit Rücksicht auf den Kondensator die Streureaktanz des Schweißtransformators zu vergrößern.
  • Zur Vereinfachung des Zusatzgerätes kann die Induktivität i i bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 mit -dem Anpassungswandler 6 dadurch vereinigt werden, daß man diesen wie einen Schweißtransformator mit hoher Streuung ausführt. Es ergibt sich dann für das Zusatzgerät die in: Fig. 9 dargestellte Schaltung. Fig. io zeigt eine weitere Vereinfachung. Der Schweißtransformator, der Anpassungswandler und, der Kondensator werden zu .einer Einheit konstruktiv vereinigt. Dar Transformator erhält in diesem Falle drei feste Schenkel A, B und C und einen beweglichen Schenkel D (Streuschenkel). Auf Schenkel A liegt die Primärwicklung 8, auf Schenkel B die Se @kundärwicklung 9. Die Sekundärspamn@ung U2 ist höchstens gleich 75 V . Zur Regelung der Schweißstro#mstärke dient der bewegliche Streuschenkel D. Ein Teil der positiven Streuung, die sich über den Schenkel D schließt, wird durch einen negativen Streufluß kompensiert, der über den durch den Kondensator 12 belasteten Hilfsschenkel C fließt. Bei @ei:ner Unterbrechung des Schweißstromes J im Nulldurchgang addiert der Kondensator seine Spannung über die Hilfswicklung io zur Leerlaufspannung der jetzt offenen Arbeitswicklung g.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE-i. Schaltanordnung für die Wechselstrom-Lichtbogenschw.eißung zur kurzzeitigen Erhöhung der Schweiß-Spannung nach Unterbrechung bzw. Nulldurchgang der Spannung, beider, um die Spannung nach ihrer Erhöhung wieder auf einen: dauernd zulässigen Wert zu senken, im Sekundärkreis des Schweißtransformators dynamisch oder elektrisch verzögerte Widerstandsschaltelemente vorgesehen sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender an sich bekannter Schaltmaßnahmen: a) diese Schaltedemente sind nacht kompensiert und b) als Induktivitäten mindestens teilweise parallel zum Lichtbogen bzw. als Kapazitäten in Reihe mit dem Lichtbogen geschaltet, c) die Induktivitäten sind wenigstens teilweise steuerbar, d) zusätzlich zu den Kapazitäten können gegebenenfalls noch in Reihe Induktivitäten im Schweißstromkreis liegen.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Lichtbogen in an sich bekannter Weise ,eine Reakta:nz geschaltet ist, die während deas Schweißens im Verhältnis zur Streureaktanz des Schweißtransformators oder zur Reaktanz der Schweißdross:el groß ist, während sie bei -einer Unterbrechung des Lichtbogens im Verhältnis zur Streureaktanz des Schweißtransformators oder zur Reaktanz der Schweißdrossel so klein wird, daß ihre Klemmenspannung den Wert der dauernd an: der Schweißelektrode zulässigen Spannung nicht mehr übersteigt.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an sich bekannte Mittel vorgesehen sind, durch die eine Parallelinduktiv ität bei einer Unterbrechung des Lichtbogens selbsttätig eingeschaltet und beim Wiediereinschalten de-s Schweißstromes selbsttätig abgeschaltet wird. 4.. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine als vormagnetisierte Drossel ausgeführte Parallelinduktivität vorgesehen ist, deren hohe Induktivität beim Auftreten der erhöhten Spannung (Zündspannung) an den Elektroden durch Vormagnetisierung derart verringert wird, daß die Spannung an den Elektroden auf den dauernd zulässigen Wert sinkt (Fig. 2 und .I). ,;. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der als Spannungsduelle für die Vormagnetisierung der Drossel dienende Gleichrichter unmittelbar an die Zündspannung angeschlossen ist (Fig. 2). 6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an sich bekannte Mittel vorgesehen sind, durch die die Streureaktanz des Schweißtransformators oder die Reaktanz der Schweißdrossel, die bei unterbrochenem Schweißstrom im Verhältnis zur Parallelindulctivität sehr groß sein soll, beim Einsetzen des Schweißstromes durch Umschaltung oder Vormagnetisierung derart verkleinert wird, daß der Schweißstrom seinen Nennwert erreicht (Fig. 3 und q.). 7. Einrichtung nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß von der Zündspannung oder dem Schweißstrom abhängige Schaltrelais oder gesteuerte Entladungsgefäße für die Durchführung zusätzlicher Schaltmaßnahmen vorgesehen sind. S. Einrichtung nach Anspruch -2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstrom unmittelbar oder über Stromwandler die Vormagnetisierung bewirkt. g. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß im Schweißstromkreis in an sich bekannter Weise ein Kondensator vorgesehen ist, der bei einer Unterbrechung des Lichtbogens die Spannung des Schweißtransformators um den Augenblickswert seiner Ladespannung erhöht. io. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Induktivität vorgesehen ist, die zusammen mit dem Kondensator einen Resonanzkreis bildet, der erforderlichenfalls durch einen vorzugsweise umschaltbaren Hilfswandler dem Schweißstromkreis angepaßt werden kann. i i. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator zusammen mit einem vorzugsweise umschaltbaren Anpassungswandler geeigneter Streureaktanz einen Resonanzkreis bildet, der dem Schweißstromkreis angepaßt ist. 12. Einrichtung nach Anspruch io oder ii, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator und der umschaltbare Anpassungswandler zu einem selbständigen Bauteil vereinigt werden. 13. Einrichtung nach Anspruch io bis 12. dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißtransformator und der Anpassungswandler des Reihenkondensators zu einem einheitlichen Bauteil ausgebildet sind. 14. Einrichtung nach Anspruch i bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente derart bemessen sind, daß die Zündspannung L'; in Volt etwa gleich ist, wenn J den Nennwert des Schweißstromes in Amp. bedeutet. 15. Wechselstrom-LichtbogenschweiBeinrichtung nach Anspruch i oder folgenden, gekennzeichnet durch ihre Verwendung bei höheren Frequenzen dies Schweißstromes, wie sie beispielsweise von Mittelfrequenzmaschinen oder statischen Frequenzumformern erzeugt werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 351 094, 431 9421 467 o58, 473 o18, 657 17o, 664 523, 704 307; USA.-Patentschrift Nr. 2 365 6 11. Entgegengehaltene ältere Rechte: Deutsche Patentschrift Nr. 822 286.
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