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Publication number: DEW0010677MA
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 27. Februar 1953 Bekanntgemacht am 9. August 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung zum Lichtbogenschweißen mit Gleichstrom unter Verwendung von Gleichrichtern.

Die bekannten Schaltanordnungen weisen unter bestimmten Arbeitsbedingungen Unzulänglichkeiten auf.

Es treten z. B. beim Rohrschweißen im sogenannten »Schlepp verfahr en«, bei welchem eine isolierte Elektrode entlang dem Rohr nachgezogen werden muß, beim Schweißen einwandfreier Nähte Schwierigkeiten auf. Das gilt für Horizontal-, Vertikal- und Überkopfnähte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Mangel zu beheben.

Die vorliegende Erfindung geht davon aus, daß die bekannten Lichtbogenschweißgeräte dann unbefriedigend arbeiten, wenn die Elektrodenspitze sehr nahe an das Werkstück herankommt, wobei sehr oft Kurzschlüsse durch Kügelchen oder Fäden aus geschmolzenem Metall entstehen, was ein Erlöschen des Lichtbogens zur Folge hat. Auch wurde gefunden, daß sich in bezug auf die Wirkung solcher Kurzschlüsse ein Gleichrichterschweißgerät von Geräten unterscheidet, bei denen die

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Schweißleistung von einem Generator geliefert wird, und zwar insofern, als bei Generatoren ein Kurzschluß eine Wanderwelle erzeugt, die das Be-

...·;■■ !Streben zeigt, die Kügelchen oder Fäden zu zerstören und Kurzschlüsse zu vermeiden. Bei Ver-

.".;<■ !wendurig .eines Gleichrichterschweißgerätes hingegen tritt eine Wanderwelle meist nicht auf, zumindest hat sie eine schwächere Wirkung in bezug auf die Beseitigung der Kügelchen und der Fäden

ίο als bei einem Generator.

Erfindungsgemäß wird das Fortblasen derWerkstoffkügelchen stark beschleunigt durch Zuführen von zusätzlichem Strom in den Lichtbogen, sobald die Elektrodenspitze dem Werkstück nahe kommt und somit die Neigung besteht, den Lichtbogen kurzzuschließen. Die Zufuhr von Hitze zur Schweißnaht wird auf diese Weise im wesentlichen kontinuierlich gehalten.

Die erfindungsgemäße Schaltanordnung zum Lichtbogenschweißen mit Gleichstrom bezieht sich in an sich bekannter Weise auf einen Schweißtransformator mit zwei Sekundärwicklungen je Primärwicklung, wobei jeweils die eine Sekundärwicklung über Gleichrichter den Lichtbogen mit Schweißstrom speist, während die zweite Sekundärwicklung über weitere Gleichrichter eine Hilfsspannung an den Lichtbogen legt. Erfindungsgemäß ist die Anordnung so getroffen, daß die Hilfsspannung niedriger ist als die normale Schweißspannung, jedoch für Aufrechterhaltung des Lichtbogens noch ausreicht.

Es wurde festgestellt, daß sich die Kügelchen schnell bilden und deshalb schnell zerstört werden müssen. Deshalb muß die Hilfsstromquelle eine sehr kleine Zeitkonstante haben, und zwar in der Größenordnung eines kleinen Bruchteils einer Sekunde (vorzugsweise 0,003 Sekunden oder noch weniger). Aus wirtschaftlichen Gründen ist es wünschenswert, daß der Hilfsgleichrichter klein ist und wenig kostet. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Spannung des Hilfsgleichrichters so gewählt wird, daß sie gerade unter dem niedrigsten Spannungswert liegt, bei welchem die gewählte Schweißelektrode arbeitet. Der Hilfsgleichrichter tritt dann nur einen kleinen Teil der Zeit, während welcher das System benutzt wird, in Tätigkeit, d. h., er hat eine kurze Einschaltdauer und kann klein gehalten werden.

Die Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar in

Fig. ι ein Schaltschema,

Fig. 2 ein Diagramm zu der Schaltung gemäß Fig. ι.
• Die Vorrichtung enthält gemäß Fig. 1 einen DreiphasentransformatorT mit einer PrimärwicklungP, deren einzelne Phasenwindungen in Dreieckschaltung am Netz liegen. Die Primärwicklung P ist an die Netzschienen L1, Lz und L 3 über die Kontakte K i, K2 und K 3 eines Schalters oder durch Sicherungen angeschlossen. Der Transformator T hat eine Hauptsekundärwicklung 5" und eine Hilfssekundärwicklung AS. Die Windungen Si, S2 und S 3 ,der Hauptsekundärwicklung 5 sind im Dreieck und in Reihe geschaltet mit, den Windun- ■■ gen je einer variablen Drosselspule RX 1, RX 2 und RX3. Die Schweißelektrode £ und das Werkstück W sind verbunden mit einem Paar von Zuleitungen SL ι und SL 2.

Die Ecken des Sekundärdreiecks S sind mit den Leitungen SL1 und SL 2 über zwei Gruppen von Gleichrichtern 1R, 2 R und 3 R bzw. 4.R, 5 R und 6 R, vorzugsweise Selengleichrichtern, verbunden. Die Gleichrichter der einen Gruppe 1R, 2 R und 3 R liegen je zwischen einer Ecke des Dreiecks und der Zuleitung SL1 in der Weise, daß positiver Strom von dieser Klemme zur Leitung SL ι strömt; die Gleichrichter der anderen Gruppe 4 R, S R und 6 R leiten den positiven S_ttrom von der anderen Leitung SL 2 zu der Hauptsekundärwicklung 5\

Die Windungen AS 1, AS2 und. AS 3 der Hilfssekundärwicklung AS sind im Stern geschaltet. Die Enden dieser Windungen führen über je einen Gleichrichter 7 R, &R und 9 R zu einer gemeinsamen Leitung AL 1. Diese Leitung ist ihrerseits über einen Thermostaten TH und einen Kegelwiderstand, beispielsweise einen Rheostaten RH, an die Zuleitung SL 1 angeschlossen. Dieser Widerstand dient zur Regelung der Größe des auf diese Leitung SL 1 übertragenen Stromes. Der Nullpunkt der Sekundärwicklung AS ist direkt an die andere Leitung SL 2 angeschlossen. Die Gleichrichter sind so gepolt, daß sie positiven Strom von der Leitung AL ι an die Zuleitung SL 1 abgeben. Der Thermostat TH öffnet den Stromkreis, wenn Strom einer vorbestimmten Größe für eine vorbestimmte Zeitdauer in den Stromkreis gelangt ist. Der Widerstand RH dient dazu, den durch die Hilfssekundärwicklung gelieferten Strom über einen weiten Bereich zu variieren oder ganz abzuschalten. .

Die Hauptwicklungen 5* 1, S2 und 6"3 besitzen eine solche Zahl von Windungen, daß die von der Hauptsekundärwicklung an den Leitungen SL1 und SL 2 erzeugte Spannung für ein normales Schweißen genügt, d.h., diese Spannung soll so bemessen sein, daß sie ausreicht, um einen Lichtbogen zu zünden und den Schweißprozeß unter gewöhnlichen Bedingungen durchzuführen. Die Hilfswicklungen^^i, AS2 und AS3 haben eine solche Zahl von Windungen, daß die Hilf ssekundärwicklung^^ an den Leitungen eine Spannung erzeugt, die wesentlich kleiner ist als diejenige der Hauptsekundärwicklung, die aber fähig ist, den schon brennenden Lichtbogen zu erhalten. Diese Spannung kann über einen weiten Bereich variieren; es wurde aber herausgefunden, daß eine Hilfssekundärwicklung mit einer Erzeugung von annähernd 16 Volt für viele Zwecke genügt.

Die üblicherweise verwendeten Elektroden besitzen Lichtbogenspannungen zwischen 22 und 26 Volt. Für solche Elektroden ist eine Hilfsspannung von 16 Volt, geeignet, obwohl unter Umständen auch eine etwas höhere Spannung erwünscht sein kann, um das Ausblasen der Kügelchen ,,,. und Fäden zu veranlassen, bevor diese tatsächlich Kurzschlüsse herbeiführen. Andere Elektroden be-

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sitzen eine Betriebsspannung von 28 und 35 Volt; für diese ist eine Hilfsspannung von 20 bis 24 Volt geeignet.

Es ist wünschenswert, daß die Hilfsspannung so bemessen wird, daß das Verhältnis zwischen dem maximal auf tretenden Gesamtstrom bei einem Kurzschluß, wenn die Hilfsstromquelle in Betrieb ist, und dem normalen Bogenbetriebsstrom 1,7 :1 bis 2 : ι beträgt.

Fig. 2 zeigt in Kurvenbildern die Wirkungsweise eines Stromkreises gemäß Fig. 1. Diese Kurven stellen bildlich die tatsächlichen Arbeitsbedingungen dar. Im Diagramm sind die Spannung als Ordinate und der Strom als Abszisse aufgetragen. Es ist eine Hauptkurve A zu sehen, welche sich in zwei Äste gabelt, nämlich in einen gestrichelten Ast B, der einen konvexen Bogen bildet, und in einen ausgezogenen, konkav anschließenden Ast C. Die Hauptkurve A mit ihrem konvexen Ast B ist eine bildliche Darstellung der Stromspannungscharakteristik des Hauptstromkreises, wobei die Drosselspulen RX1, RX 2 und RX 3 für den Arbeitspunkt bei 100 Amp. und 30 Volt bemessen sind. Man kann sehen, daß die Ausgangsspannung dieses Stromkreises auf ο Volt absinkt, d. h., bei Kurzschluß beträgt die Stromstärke annähernd 118 Amp. Die voll ausgezeichneten Kurven dagegen zeigen die Stromspannungscharakteristik des Lichtbogenerhaltungsstromes gemäß der Erfindung, wobei der Widerstand RH auf Maximumstrom D bzw. Minimumstrom F eingestellt ist. Es ist ersichtlich, daß in dem besonderen, gezeichneten Fall der Stromkreis eine Spannung von 16 Volt aufweist und zwischen 15 und 50 Amp. liefern kann.

Infolge der Schaltungsweise der Gleichrichter 7 R, SR und 9 R im Stromkreis wird diese Stromzufuhr erst wirksam, wenn die Spannung des Hauptstromkreises unter die Spannung des Bogenerhaltungsstromkreises absinkt. Falls die Spannung des Hauptstromkreises niedriger als diejenige des Bogenerhaltungsstromkreises ist, wird die Leistungskurve (Charakteristik) der Hilfssekundärwicklung derjenigen der Hauptsekundärwicklung überlagert. Die resultierende Kurve ist durch die Hauptkurve^i und durch die anschließende Kurve C wiedergegeben. Durch die Überlagerung derBogenerhaltungsspannung ist der Kurzschlußpunkt von 118 Amp. auf ungefähr 172 Amp. hinausgeschoben. Es kann daher am Bogen eine erhebliche Leistung ausgeführt werden. Auch zwischen diesen Stromwerten kann dem Lichtbogen Beständigkeit gegeben werden, d. h. auch wenn der Bogen kurz, seine Stromstärke groß und die Spannung niedrig ist. Kurzschluß erzeugende Metallkügelchen und -fäden werden auf diese Weise sofort zerstört. Zu bemerken ist, daß das verfügbare Strommaximum (172 Amp.) I72mal größer ist als der normale Bogenbetriebsstrom von 100 Amp.

Bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung stellen die Schweißelektrode E und das Werkstück W die Verbindung zwischen den Leitungen SL ι und SL 2 her; es entsteht ein Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Werkstück.

Während des normalen Schweißens ist ;die Lichtbogenspännung größer als die Spannung; die durch den Bogenerhaltungsstromkreis geliefert wird; der Strom, der von der Sekundärwicklung AS fließt, ist durch die Gleichrichter 7 R, 8 R und 9 R gesperrt; auch der Strom von den Anschlußklemmen SLi und SL 2 zu der Hilfssekundärwicklung ist durch die Gleichrichter 7 R, 8 R und 9 7? gesperrt. Wenn die Elektrode £ so nahe an das Werkstück W kommt, daß die Bogenspannung niedrig ist und die Spannung zwischen den Leitungen SL 1 und SL 2 überschritten wird von der Spannung der Hilfssekundärwicklung AS, fließt Strom von der Sekundärwicklung zu den Anschlußklemmen· LS 1 und SL 2. Dann sorgt die Sekundärwicklung AS für zusätzliche Stromzufuhr, um zu verhindern, daß Kurzschlüsse entstehen. Auf diese Weise bleibt der Lichtbogen erhalten.

Die Größe des BogenerhaltungsstiOmes kann durch geeignete Einstellung des Widerstandes RH zwischen 15 und 50 Amp. geregelt werden.' Der Widerstand umfaßt aber auch eine Stellung, bei welcher der Bogenerhaltungsstromkreis vollkommen geöffnet ist.

Unter normalen Umständen hat der zum Aufrechterhalten des Lichtbogens gelieferte Strom weniger als 1 Amp. Es wurde gefunden, daß Stromspitzen über 50 Amp. oder noch höher, die von der Impedanz des Stromkreises abhängen, durch den Bogenerhaltungsstromkreis fließen können, besonders wenn der Lichtbogen plötzlich durch Kügelchen oder Fäden aus geschmolzenem Metall kurzgeschlossen ist. Um den Bogenerhaltungskreis zu schützen, ist ein Thermostat TH vorgesehen, der dazu dient, den Stromkreis ungefähr nach einer Sekunde zu öffnen, wenn bei kleinstem Widerstand der Kurzschlußstrom fließt. Bei größtem Widerstand öffnet der Thermostat in ungefähr 15 Sekunden.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene und gezeichnete Ausführung beschränkt; es sind auch andere Ausführungsformen möglich, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. So kann ein anderer als in der Fig. 1 gezeigter Transformator eingesetzt werden; z.B. kann die Hilfssekundärwicklung im Dreieck oder im Stern geschaltet sein. Ferner kann nicht nur mit einer Dreiphasenstromzufuhr, sondern z. B. auch mit einer Sechsphasenstromzufuhr gearbeitet werden.

Claims

Patentansprüche·

i. Schaltanordnung zum Lichtbogenschweißen mit Gleichstrom unter Verwendung eines Scrnveißtransformators mit zwei Sekundärwicklungen je Primärwicklung, wobei jeweils die eine Sekundärwicklung über Gleichrichter den Lichtbogen mit Schweißstrom speist, während die zweite Sekundärwicklung über weitere Gleichrichter eine Hilfsspannung an den Lichtbogen legt, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannung niedriger ist als die normale Schweißspannung, jedoch für Aufrechterhaltung des Lichtbogens noch ausreicht.

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2. Schaltanordnung nach Anspruch ι, gekennzeichnet durch eine in Abhängigkeit von dem durch die zweite Sekundärwicklung gelieferten Strom ansprechende Schutzeinrich- ' tung, z. B. einen Thermostaten; zum Trennen der Verbindungen zwischen der zweiten Sekundärwicklung und dem Lichtbogen, wenn durch die zweite Sekundärwicklung ein Strom von mindestens einer vorbestimmten Stärke für ίο eine vorbestimmte Zeitspanne, die mit dieser Stärke variiert, fließt.
3. Schaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2 für den Anschluß an eine Mehrphasenstromquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenwindungen der ersten Sekundärwicklung (S) im Vieleck und diejenige der zweiten Sekundärwicklung (AS) im Stern geschaltet sind, daß eine Gruppe von Gleichrichtern (1 R, 2 R und 3i?) zur Leitung des Stromes zwischen jeder

ao Ecke des Vielecks und der Elektrode (E) und eine zweite Gruppe von Gleichrichtern (4 R, 5 R und 6R) zur Stromleitung von entgegengesetzter Polarität zwischen jeder Ecke des Vielecks und dem Werkstück (W) angeschlossen sind und daß zum Erzeugen von Strom der ersten Polarität eine dritte Gruppe von Gleichrichtern (7 R, 8 R und 9 R) zwischen den offenen Enden der im Stern geschalteten Sekundärwicklung (AS) und der Elektrode (E) vorgesehen ist.
4. Schaltanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullpunkt der im Stern geschalteten Sekundärwicklung (AS) mit der zweiten Schweißleitung (SL 2) verbunden ist.
5- Schaltanordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vieleckstromkreis der ersten Sekundärwicklung (S) an jeder einzelnen, in Reihe geschalteten Phasenwindung (Si, S2 und 5"3) eine verstellbare Drosselspule (RXi, RX2 und RX3) aufweist.
6. Schaltanordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkreis der zweiten Sekundärwicklung (AS} und seine. Gleichrichter eine so kleine Zeitkonstante und eine so hohe Spannung aufweisen, daß Metallkügelchen oder -fäden, die dazu neigen, Kurzschlüsse zwischen der Schweißelektrode (E) und dem Werkstück (W) herbeizuführen, fortgeblasen werden^ bevor sie tatsächlich Kurzschlüsse verursachen.
7. Schaltanordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Sekundärwicklung (AS) so bemessen ist, daß die von ihr an den Lichtbogen angelegte Spannung niedriger ist als die während des Schweißprozesses auftretende, niedrigste normaleDurchschnittslichtbogenbetriebsspannung.
8. Schaltanordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sekundärwicklungen (vS* und AS) so bemessen sind, daß der durch ihre Zusammenwirkung erzeugte maximale Strom annähernd 1,7- bis 2mal so groß ist wie der für die Inbetriebhaltung des Schweißgerätes erforderliche Normalstrom im Durchschnitt.
9. Schaltanordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkreis der zweiten Sekundärwicklung (AS) einen verstellbaren Regelwiderstand (RH) aufweist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1 006454;
deutsche Patentschrift Nr. 679292.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen