NO122508B - - Google Patents

Description

Innretning til å innvirke på kortslutningsstrømforløpet ved kortslutnxngs-lysbuesveising.

Oppfinnelsen vedrører en innretning til å begrense kortslutnings-strømforløpet ved kortslutnings-lysbuesveising med avsmeltende elektrode, fortrinnsvis under beskyttelsesgass, spesielt under karbondioksyd.

Ved sveising under beskyttelsesgass med avsmeltende elektrode (MIQ-sveising) anvendes idag overveiende strømkilder med flat statisk strømspennings-kjenningslinje. Diase er kjent under betegnelsen konstantspenningsmaskiner. Sveisingen foregår her alltid med likestrøm idet elektroden vanligvis legges tii sveisemaskinens plusspol.

Disse sveisemaskiner har fordelen med selvregulering.

dvs. at ved forandring av trådfremskyvningshastigheten tilpasses

,den av sveisemaskinen avgitte strømstyrke automatisk til den for-andrede tilførsels- og avsmeltningshastighet for sveisetråden.

Slike maskiner er også vidtgående uavhengig av vilkårlige eller uvilkårlige bevegelser hvor avstanden mellom sveisebrennerer^s tråd-uttredelsesdyse og verktøyet forandres. Slike svingninger opptrer fremfor alt ved håndsveising innen visse grenser, idet ved god selvreguleringseffekt av sveisemaskinen er det bare funnet minimale forandringer av lysbuelengden.

Konstantspennings-sveisemaskiner har vist seg godt

egnet for MIG-sveising når det ved sveiseprosessen ikke opptrer noen eller bare få kortslutninger. Man taler i dette tilfelle om en såkalt forstøvningsregn-lignende dråpeovergang. Materialet overføres i fine dråper på grunnmaterialet, idet det mellom den tilførte tråd og sveisebadet ikke opptrer noen egentlig kortslutning, men materialet overføres støvregnlignende i form av fine små dråper. Slike lysbue-former opptrer spesielt ved anvendelse av argon eller helium som beskyttelsesgass.

Ved anvendelse av karbondioksyd som beskyttelsesgass forandrer materialovergangen seg prinsipielt ved at det også ved forholdsvis høye spesifikke strømbelastninger ved sveisetråden oppstår så store materialdråper at det mellom den tilførte sveisetråd og sveisebadet resp. materialet opptrer tallrike kortslutninger.

Ved sveising av tynnt gods under anvendelse av tråder med en diameter som vanligvis ligger mellom 0,6 og 1,2 mm, tilstreber man dessuten såvel ved karbondioksyd som også ved argon som beskyttelsesgass sågar å oppnå en kortslutriingslignehde dråpeovergang, da grunnmaterialet derved oppvarmes mindre sterkt enn ved en kontinuerlig' brennende og uten kortslutninger avbrutt lysbue. Ved den ovennevnte effekt lykkes det også å sammensveise forholdsvis tynt materiale etter MIG-fremgangsmåtén uten at det består noen fare for at det brennes et hull i sveisesømmen. Man taler da om en kort-slutningslignende dråpeovergang, idet kortslutningsfrekvensen vanligvis utgjør over 50 kortslutninger/sekund. Fremgangsmåten betegnes følgelig som kortlysbue-sveisefremgangsmåte.

Ved kortslutningene oppstår ved anvendelsen av vanlige konstantspennings-sveisemaskiner forholdsvis høye kortslutningstopper, som gir ulempen med en forøket dannelse av sveisedråper og en meget hård lysbue. Vanligvis influeres også samtidig sømoverflaten ugunstig.

Por å motvirke de ovennevnte effekter er det kjent å

gi sveisemaskinen enten en sterkere helning av den statiske strømspennings-kjenningslinje eller å innkople i sveisestrømkretsen en ekstra induktivitet. Begge anordninger tilstreber å begrense den dynamiske kortslutningsstrøm til verdier som er brukbare for en sveiseprosess, men man må også ta ulemper med på kjøpet.

Således nedsetter f.eks. en sterkere kjenningslinje-helning konstantspennings-sveisemaskinens selvreguleringseffekt. Dette betyr imidlertid at ved forandring av trådfremskyvningshastigheten eller av sveisebrenneravstanden influeres også lysbuelengden ugunstig og dermed buens stabilitet. Tomløpsspenningen og kjenningslinjehelningen må derfor nøyaktig tilpasses til den herskende tråd-fremskyvningshastighet for å oppnå brukbare sveiseresultater.

Det er videre kjent at ved innkopling av en induktiv drossel i sveisestrømkretsen forsinkes det tidsmessige forløp av strømøkningen ved en opptredende kortslutning, hvorved kortslutnings-toppen kan begrenses. Uheldig virker det imidlertid da at ved det forsinkede forløp av strømstigningen forsinkes også utløsningen av den dannede sveisegodsdråpe.

Dette kan ved høy induktivitet føre så vidt at kortslutningen forblir kontinuerlig bestående og det ikke mer danner seg noen lysbue. Ved noe mindre verdier for induktivitet kan det

passere at kortslutningstiden blir forholdsvis stor overfor lysbuens brenningstid, hvorved det oppstår en tykk overbuet strøm. Gjør man induktiviteten enda mindre, så blir lysbuen meget hård, og det oppstår høye kortslutningsstrømtopper og sveisedråpér i forsterket grad.

Det må videre tas hensyn til at kjenningslinjehelningen, induktivitet og tomløpsspenningen innvirker gjensidig på hverandre, således at ved sveisemaskiner hvor alle tre størrelser er foranderlige kan det bare meget vanskelig finnes den gunstigste innstilling.

Oppfinnelsen vedrører en innretning til å. innvirke på kortslutningsstrømforløpet ved kortslutningslysbuesveising under beskyttelsesgass med avsmeltende elektrode under anvendelse av en likestrømsveisemaskin med flat karakteristikk og en i sveisestrøm-kretsen anordnet hoveddrossel, og innretningen erkarakterisert vedat hoveddrosselen har minst en parallellkoplet LR-gren (bigren) eller en elektrisk ekvivalentkopling og derved forsterker den på kortslutningsstrømmen virkende induktivitet ved stigende kort-slutningsstrøm uten innvirkning på selve strømkilden, hvorved kort-

slutningsstrømmens stigehastighet forminskes ved oppnåelse av

minst é"n, fortrinnsvis ved flere beBtemte strømverdier.

Ved denne innretning kan, i motsetning til de kjente enkle induktiviteter, etter ønske kortslutningsstrømøkningens tidsmessige forløp forandres, dvs. mari kan f.eks. oppnå at ved dannelBe av en kortslutning foregår strømstigningen først hurtig med en hastighet på 50.000 A pr. sekund og ved oppnåelse av en bestemt strømverdi (f.eks. 200 A) minskes strømstigningshastigheten (f.eks. til 15000 A pr. sekund). Anvendelsen av innretningen kan også gjennomføres således at strømstigningshastigheten ikke forandres bare en gang, men flere ganger ved oppnåelse av bestemte strømverdier. Med innretningen ifølge oppfinnelsen lykkes det å begrense høyden av de dynamiske kortslutningstopper, således at derved , verken kjenningslinjehelningen økes, dråpeutløsningen forsinkes eller sprutdannelsen forsterkes.

Virkningsmåten av innretningen ifølge oppfinnelsen er følgende: Ved opptreden av en kortslutning bestemmes strøm-stigningshastigheten ved de to drosslers verdi. Under den forut-setning at hoveddrosslens'induktivitet er stor og bidrosslens er liten vil først strømstigningen foregå forholdsvis hurtig tilsvarende den mindre induktivitet. Da bidrosslen er koplet i serie med en ohmsk motstand, bibeholdes strømstigningshastigheten til en strøm-verdi hvorfra den ohmske motstand begrenser en ytterligere strøm-økning. Er f.eks. sveisemaskinen» spenning 20 V og den ohmske motstand 0,2 ohm, så forløper strømmen inntil en grenseverdi på

100 A med en strømstigningshaatighet tilsvarende bidrosslens mindre induktivitet. Fra dette tidspunkt or strømningen gjennom bikrefeBen, bestående av i serie koplet bidrossel og ohmsk motstand, begrenset til den ovennevnte verdi. Kortslutningsstrømmen må ved sin videre økning ta veien gjennom hoveddrosslén med større induktivitet. Tvangs-messig forløper den videre strøastigningen forsinket tilsvarende hoveddroBslens større induktivitet.

I en videreutformning ifølge oppfinnelsen kan det parallelt til hoveddrosslen ikke bare koplas et system, bestående av bidrossel og ohmsk seriemotstand, man flare parallelle systemer, hvor biinduktivitetens verdi og verdien ar den ohnske motstand tUpaaeei til kortslutningsstrøamene ønskede tidsmessige forløp. Na» kan f.fks, styre sistnevnte sålede» at strømstigningshastigheten til en kortslutningsstrøm på 100 A utgjør 80.000 A pr. sekund, til en kortslutningsstrøm på 200 A utgjør 40.000 A pr. sekund, inntil en kortslutningsstrøm på 300 A utgjør 20.000 A pr. sekund og videre 10.000 A pr. sekund.

I videreutformningen av oppfinnelsen er det hensiktsmessig å gi hoveddrosslen sammenlignet med de parallelt koplede ohmske motstander en mest mulig god elektrisk ledningsevne, således at den under lysbuebrenntiden, når det altså ikke foregår noen hurtig tidsmessig forandring av strømmen, overtar den overveiende del av strømningen. Man oppnår derved at konstantspenningsstrøm-kilden ikke påtvinges noen større helning av statisk kjenningslinje, hvorved den gode selvregulerbarhets effekt bibeholdes.

En annen innretning til gjennomføring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen erkarakterisert vedat det i likestrøms-sveisekretsen i seriekopling er anordnet en bidrossel og en hoveddrossel med parallelt dertil kpplede ohmske motstander, idet hoveddrosslens induktivitet er større enn bidrosslens og den ohmske parallellmotstands verdi større enn de to dcosslers motstand.

Denne innretnings virkningsmåte er da følgende:

Ved opptreden av en kortslutning flyter strømmen først overveiende over bidrosslen og den til hoveddrosslen parallell-koplede ohmske motstand. Da bidrosslen har en mindre induktivitet enn hoveddrosslen, foregår strømstigningen følgelig først forholdsvis hurtig. Oppnås.eh strømverdi hvor den ohmske motstand hindrer en videre økning, så flyter den videre stigende kortslutnings-

strøm fortrinnsvis i stedet for over den ohmske motstand over hoveddrosslen. Man ser at virkningen av dette modifiserte system er det samme som ved den først beskrevne anordning. Det byr seg da den mulighet å legge bidrosslens induktivitet i selve strømkilden, således at strømkilden selv har en viss induktivitet, (f.eks. ved en sveiselikeretter ved tilsvarende utformning av transformatoren) som har den samme verdi som bidrosslen.

Funksjonen av innretningen ifølge oppfinnelsen er

også således at den induktive virkning stadig forsterkes med økende kortslutningsstrøm. Den adskiller seg derved ikke bare rent ut-førelsesmessig fra de tidligere kjente enkle drossler, men man kan med disse i sveisemaskiner også få en ganske spesiell tendens for S.I.G.M.A-sveising. Det er f.eks. ikke: mer nødvendig å gi strøm-kilder som fortrinnsvis anvendes for kortlysbuesveising en øket

helning i statisk strømspenningskjenningslinje. Man kan altså få effekten med sveisestrømkildens gode selvregulerbarhet. Dessuten kan det ved den begynnende hurtige strømstigning vesentlig påskyndes utløsning og avskjæring av oppsmeltede dråper uten at derved som dette er tilfelle ved enkle drossler at det inntrer en forsinkelse av dråpeutløsningen og en nedsettelse av kortslutningsfrekvensen,

som igjen har ugunstig virkning på sømutseende og på lysbuestabili-teten. Allikevel unngås en for høy stigning av kortslutningsstrømmen ved at etter oppnåelse av en bestemt strømverdi opptrer drossel-virkningen i forsterket grad, at altså kortslutningsstrømmen først

stiger hurtig for fra en bestemt verdi å bremses sterkt. Derved kan kortslutningsstrømspissen begrenses til en vilkårlig valgbar maksimal-verdi, og det unngås en for sterk spruting ved sveisingen.

Etter et ytterligere forslag utformes hoveddrosslen

med en magnetisk kjerne og bidrosslene som luftdrossler.

På tegningen er oppfinnelsen forklart nærmere:

Fig. 1 viser to forskjellige statiske kjenningslinjer

for en likestrøms-sveisemaskin.

Fig. 2 viser ved de tilsvarende dynamiske kjenningslinjer det tidsmessige forløp for kortslutningsstrømmen. Fig. 3a viser anordnet i en likestrømssveisekrets en

hoveddrossel med parallellkoplet bidrossel og ohmsk motstand.

Fig. 3b viser en annen utførelse hvor bidrosslen er

lagt i serie med en gren bestående av hoveddrossel med parallelt koplet ohmsk motstand. Fig. 4 v^ser det tidsmessige forløp av kortslutnings-strømmen i hoved- og bigrenen, når disse belastes adskilt.

Fig. 5 viser det tidsmessige forløp av den samlede

krets kortslutningsstrøm når denne er koplet ifølge oppfinnelsen;

de strekede linjer I1 og I2viser enkeltstrømmen av de parallelle grener, hvorav den samlede strøm I setter seg sammen.

Fig. 6 viser koplingen av flere bigrener parallelt

til hoveddrosslen.

Fig. 7 viser det tidsmessige forløp av kortslutnings-strømmen ved koplingen ifølge fig. 6. Fig. 8 viser den ekstra koplingen av en likeretter i bikretsen.

Ved de på fig. 1 og 2 viste kjenningslinjer forutsettes at ved alle stillinger strømmer den samme pérmanentkortslutnings- strøm. Med er det betegnet permanentkortslutningsstrømmen og med ly den nødvendige strøm til utløsning av dråpen. 1 betegner kjenningslinjen for innretningen ifølge oppfinnelsen. Kjennings-linjene 2 tilhører en sveisemaskin med en eneste induktivitet i strømkretsen og med 3 er det betegnet kjenningslinjen for en sveise-strømmaskin med sterk helning i statisk kjenningslinje. Man ser av kjenningslinjen at i tilfellene 1 og 2 er den ovennevnte selv-regulering av lysbuen bedre ved den flate karakteristikk enn ved den steilere i tilfelle 3. På den annen side viser fig. 2 at i tilfelle 3 oppnås den maksimale kortslutningsstrøm meget hurtig, nemlig med en strømstigningstid som bare er bestemt ved strømkildens util-siktede treghet. I tilfelle 2 er strømningsatigningstiden langsommere. Den bestemmes ved induktivitetens verdi (Kehrwert). I tilfelle 1

ved utførelsen ifølge oppfinnelsen foregår stigningen først med den samme hastighet som i tilfelle 3. Her knekker imidlertid ved et visst punkt strømstigningen nedad og forløper sakte videre til p ermanent kort slut ning s strømmen.

Koplingen ifølge fig. 3a har i en likestrømskrets en hoveddrossel med induktivitet L^, og en parallell koplet bigren, bestående av en bidrossel med en induktivitet Lg og en i serie koplet ohmsk motstand FL,. Hoveddrosslen har en ved ledertverrsnittet gitt utilsiktet ohmsk motstand R^, som imidlertid er meget mindre enn Rg. Induktivitet en av L-^er større enn for Lg. Fordelaktig velger man L, 1,5 - 20 ganger så stor som Lg.

Koplingen ifølge fig. 3b har i en likestrømskrets en bidrossel med induktivitet Lg, og i serie hertil koplet en hoveddrossel med parallellkoplet ohmsk motstand Rg, idet hoveddrosslen har en induktivitet L^, som er større enn bidrosslens induktivitet Lg. Verdien av den ohmske motstand Rg er større enn summen av de i

de to drossler tilstedeværende ohmske motstander.

De på fig. 4 og 5 viste kjenningslinjer gjelder såvel for koplingen ifølge fig. 3a som for koplingene ifølge fig. 3b. Det fremgår herav at strømstigningen i bikretsen lg først, forløper hurtig tilsvarende den mindre induktivitet Lg. Den er gitt ved formelen:

dlg U

g^—|— idet U angir den av strømkilden avgitte spenning.

Den ohmske motBtand Rg begrenser den gjennom bigrenen strømmende strøm til en maksimalverdi som bestemmes på følgende måte:

Sveisemaskinens indre motstand er da sett bort fra.

Strømmen som strømmer gjennom hoveddrosslen økes tilsvarende den større induktivitet. Strømstigningen tilsvarer formelen

Etter en forholdsvis lang tid oppnår strømmen en maksimal-verdi, som bare bestemmes ved sveisemaskinens indre motstand og ved den forholdsvis lavere ohmske motstand av hoveddrosslen L^såvel som av de i sveisekretsen koplede kabler og tråder.

Av fig. 5 fremgår det at strømmen først tilsvarende bikretsens mindre induktivitet stiger forholdsvis hurtig for etter oppnåelse av den maksimale strøm av bigrenen lg maks = ^- videre-stiger tilsvarende hoveddrosslens større induktivitet sterkt forsinket.

De strekede linjer viser da strømbelastningene av de

to grener 1^og lg som sammen gir samlet strøm I. Man ser herav at bikretsens strøm lg igjen faller etter å ha nådd maksimalverdien da hoveddrosslen på grunn av dens mindre ohmske motstand i stadig sterkere grad overtar strømtrairsporten (strøm 1^. Den endelig gjennom bikretsen strømmende strøm er forholdsvis lav og fremgår av for-holdet mellom motstandene R1og Rg. Av denne grunn kan bikretsens elementer også dimensjoneres for forholdsvis lav strøm da deres belastning i det vesentlige bare opptrer maksimalt i kort tid før oppnåelse av kortslutningsstrømmen lg.

Ifølge fig. 6 er det til hoveddrosslen 3 tilkoplet bisystemer bestående av 3 bidrossler, som hver er koplet i serie med en ohmsk motstand.

Av fig. 7 fremgår det tidsmessige strømforløp ved kortslutning, idet i en hensiktsmessig modifikasjon av figurene 4 og 5 opptrer det hver gang 3 strømtrinn, hvor strømstigningens tidsmessige forløp endrer tilsvarende induktivitetene Lg, L^, L^og endelig 1^.

Etter et ytterligere forslag ifølge oppfinnelsen kan

de ved jerninduktiviteter dannede vekselstrømtap som utvirker seg på samme måte som en til drosslen parallellkoplet motstand, benyttes på samme måte ifølge oppfinnelsen som en ohmsk motstand.

De parallelt koplede bidrossler kan også være utformet således at det ved tilsvarende valg av ledermateriale og tverrsnittet automatisk gir, ved oppnåelse av den ønskede induktivitet, den ønskede ohmske motstand av bikretsen, således at en ekstra ohmsk motstand derved overflødiggjøres.

Por eksempel utgjør ved en luftdrossel på 60 mm 0 og

90 vindinger induktiviteten 120 mikrohenry og den ohmske motstand 0,12 ohm. Som materiale anvendes kobbertråd med 2 mm diameter.

En spesiell ohmsk motstand kan også unngås ved at det ved anvendelse av et tilsvarende jernkjernemateriale i drosslen frembrakte jerntap gir den samme virkning som en parallellmotstand i bikretsen.

En ytterligere fordelaktig anordning er vist på fig. 8, hvor systemet med bigren er forbundet gjennom en egnet enveislike-retter med hoveddrosslens gren, derved kan strømmen gå bare i en retning gjennom bisystemet. Den i hoveddrosslen innmatede energi blir derved, etter opphevelse av kortslutningen, hindret i å utlade seg ved avstrømning gjennom bisystemet og stilt til disposisjon for å opprettholde lysbuen.

Claims (9)

1. Innretning til å innvirke på kortslutningsstrømforløpet ved kortslutningslysbuesveising under beskyttelsesgass med avsmeltende elektrode under anvendelse av en likestrømsveisemaskin med flat karakteristikk og en i sveisestrømkretsen anordnet hoveddrossel, karakterisert ved at hoveddrosslen har minst en parallellkp <p> let LR-gren (bigren) eller en elektrisk ekvivalentkopling og derved forsterker den på kortslutningsstrømmen virkende induktivitet ved stigende kortslutningsstrøm uten innvirkning på selve strømkilden, hvorved kortslutningsstrømmens stigehastighet forminskes ved oppnåelse av minst In, fortrinnsvis ved flere bestemte strømverdier.

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at bigrenen består av en drossel og en hertil i serie koplet ohmsk motstand, idet hoveddrosslens induktivitet er større enn bidrosslens, og verdien av hver ohmsk motstand av bigrenen er større enn hoveddrosslens ohmske motstand.

3. Innretning til gjennomføring av fremgangsmåten ifølge krav lj karakterisert ved at det i sveise-strømkretsen er anordnet en bidrossel og en hoveddrossel med parallelt til denne koplet ohmsk motstand, idet hoveddrosslens induktivitet er større enn bidrosslens og verdien av paralellmotstandens ohmske motstand er større enn de to drosslers motstand.

4. Innretning ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at hoveddrosslens induktivitet er l,5-20 ganger større enn induktiviteten av hver enkelt bidrossel.

5. Innretning ifølge krav 2, karakterisert ved at det i bigrenen bare er anordnet én resp. flere drossler som inkluderer ohmsk motstand som erstatter adskilte ohmske motstander ifølge krav 2.

6. Innretning ifølge krav 3, karakterisert ved at hoveddrosslen er utstyrt med en jernkjerne som helt eller delvis erstatter motstanden i bigrenen.

7. Innretning ifølge et av kravene 2-6, karakterisert ved at hoveddrosslen er utformet med en magnetisk kjerne og bidrosslen som luftdrossel.

8. Innretning ifølge krav 3, karakterisert ved at bidrosslens induktivitet er dimensjonert således at den i strømkilden allerede tilstedeværende induktivitet er tatt tilsvarende hensyn til.

9. Innretning ifølge krav 1 til 8, karakterisert ved at drosslene er anordnet sammen med strømkilden i et hus.