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Vorrichtung und Verfahren zum Lichtbogenschweißen an einer Einphasenwechselstromquelle
über zwei Gleichrichterstromkreise Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Gleichstromlichtbogenschweißen mit Stromversorgung aus einer Einphasen-Wechseistromquelle
über einen Transformator und über Gleichrichter mit einem ersten: Gleichrichteirstromkreis,
der pulsierenden Gleichstrom für den Schweißlichtbogen liefert, und einem zweiten
Gleichrichterstromkreis, der weniger Strom liefert als der erste und für den Schweißlichtbogen
einen pulsierenden Gleichstrom bereitstellt, der, bezogen auf den pulsierenden.
Gleichstro:m aus dem ersten Gleichrichterstromkreis, außer Phase liegt, um dadurch
den Lichtbogen kontinuierlich aufrechtzuerhalten.
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Vorrichtungen bzw. Verfahren zum Lichtbogenschweißen. nach der genannten
Art zum Betrieb. aus einer Einphasen-Wechselstromquelle sind bereits vorgeschlagen
worden. Es sind dabei auch Mittel bekanntgeworden, die einen stabilen Betrieb des
wegen der 180°-Welligkeit des gleichgerichteten Einphasenstromes an sich nicht stabilen
Lichtbogens ermöglichen sollen. Diese Mittel verwenden außer einem Hauptstromkreis
einen ebenfalls auf den. Lichtbogen arbeitenden Hilfsschweißkreis. Beide Kreise
enthalten Gleichrichter und werden aus ein und derselben Einphasen-Wechselstromquelle,
jedoch unter einer Phasenverschiebung zueinander, über einen Einpliasentransformato,r
mit zwei Sekundärwicklungen gespeist. Die Phasenverschiebung bewirkt, daß
der
pulsierende Gleichstrom des Hilfsschweißkreises nicht Null ist, wenn sich
der pulsierende Gleichstrom des Hauptschweißkreises im Nullpunkt befindet. Auf diese
\Ve,ise kann der Lichtbogen aufrechterhalten, d. h. stabilisiert werden.
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Von einer solchen bekannten Schweißvorrichtung geht die Erfindung
aus. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptschweißkreis eine relativ niedrige
Leerla.ufspannung aufweist gegenüber der Leerlaufspannung, die der Hilf'sschweißkreis
besitzt. Das bedeutet, daß die den Hauptschweißkreis speisende Transformatorsekundärwicklung
gegenüber der Primärseite stärker untersetzt ist. Dadurch kann der relativ große
Hauptschweißstrom aufgebracht werden, ohne daß die Einphasen:-Wechselstromquelle
auf der Primärseite überlastet wird. Die Transformatorsekundärwicklung, die den
Hilfssch:weißkreis speist, braucht dagegen wegen der an sich geringen Stromstärke
in diesem Hilfskreis nicht so, stark untersetzt zu sein; für sie ist vielmehr eine
größere Leerlaufspannung wünschenswert.
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Durch die genannter Wahl der Leerlaufspannungen wird ein zufriedenstellender
Schweißbetrieb z. B. aus einem gewöhnlichen Lichtnetz (220 V, mit 30 A abgesichert)
ermöglicht, wo@ sonst nur weit stärkere Netze in Frage kommen. Hierin liegt der
große Vorteil der Erfindung. Er gewährleistet allseitige Verwendbarkeit und Anpassungsfähigkeit
der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung. Trotzdem istgleichzeitig für eine ausgezeichnete
Stabilität des Lichtbogens gesorgt. Schließlich werden auch die Verluste in einer
Gleichstromschweißvo,rrichtung vom Gle-ichrichtertyp durch die Erfindung stark herabgesetzt.
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Die Erfindung wird in: der nachfolgenden Beschreibung beispielsweise
an Hand einer bevorzugten Ausführungsfo@rm erläutert und in den Zeichnungen veranschaulicht.
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Fig. 1 ist die schematische, Darstellung einer Schweißmaschine nach
der Erfindung in Verbindung mit einem Schweißstromkreis; Fig. 2 ist ein Spannungs-Zeit-Diagramm
des Stromkreises von Fig. 1; Fig.3 ist ein Strom-Zeit-Diagramm des Stromkreises
von Fig. 1; Fig. 4 ist die schematische Darstellung einer veränderten Form der Erfindung.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 schematisch
dargestellt. In dieser Zeichnung ist der Schweißtransformator mit der Nummer 11
bezeichnet. Er besitzt eine Primärwicklung 12,
eine Hauptsekundärwicklung
13 und eine Hilfssekundärwicklung 14. Die Primärwicklung 12 wird von einer Wechselstromquelle
gespeist, beispielsweise mit 115- oder 230-V-Einphasenwechselstrom, wie er in Wohnungen
und Werkstätten anzutreffen ist. Das Windungszahlverhältnis zwischen der Primärwicklung
12 und der Hauptsekundärw icklung 13 setzt die Spannung von der ausgewählten Primärspannung,
beispielsweise 115 V, herab auf eine relativ niedrige Leerlau.fspannung, gewöhnlich
auf größenordnungsmäßig etwa 50V. Der Ausgang dieser Sekundärwicklung wird einem
Zweiweg-Graetz-Gleichrichter 16 zugeführt, der vorzugsweise aus Selen:gl,eichrichtern
17 oder anderen Trockengleichrichterelementen hergestellt ist. Der Ausgang des Gleichrichters
ist pulsierender Gleichstrom und. wird an die Elektrode 18 und an das Werkstück
19 angelegt. Obgleich die Erfindung in keiner Hinsicht auf die Art der verwendeten
Schweißelektroden beschränkt ist, ist sie besonders gut zum Schweißen mit durch
inertes Gas geschützte Wolframelektroden geeignet. Hierbei wird die Elektrode 18
in einem Elektrodenhalter 21 gehalten, durch den ihr der Schweißstrom zugeleitet
wird. Das dem Elektro,denhalter zugeführte Schutzgas tritt aus diesem so aus, daß
es die Elektrode, den Lichtbogen und die Schweißschmelze mit einem Strom aus Schutzgas
umgibt, um. die elektrischen Eigenschaften: des Lichtbogens zu bestimmen und die
umgebende Luft von. der Elektrode, dem Lichtbogen und dem Schweißbad fernzuhalten.
Eine Art Stromeinsteller, beispielsweise eine veränderliche Induktivität 22, wird
vorzugsweise in den Kreis der Transformatorhauptsekundärwicklung 13 eingeschaltet.
In einer bevorzugten der Erfindung befinden: sich beim Betrieb mit der 50-V-Leerlaufspannung
der Sekundärwicklung 13 zwei Selengleichrichterplatten in jedem Zweig der Gleichrichterschaltung
16 in Serie. Diese Gleichrichter werden so ausgewählt, daß sie einen Schweißstrom
von etwa 50 A ohne Überhitzung hindurchlassen. Bei höheren Stromanforderungen können
selbstverständlich zwei oder mehr Gleichrichtersäu:len in jedem Zweig der Graetz-Schaltung
parallel geschaltet werden.
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Eine andere Zweiweggleichrichterschaltung 26 ist mit dem Ausgang der
Hilfsseku.ndärwicklung 14 verbunden. Diese Hilfswicklung 14 besitzt zur Primärwicklung
12 ein solches Windungszahlv erhältnis, daß die Leerlaufspannung der Sekundärwicklung
relativ hoch ist, etwa 80 V. Ein Phasenschieberkondensator 27 mit einer Kapazität
von etwa 250 bis 500 Mikrofarad sowie ein Strombegrenzungsw iders:tand 28 sind in
den Stromkreis der Hilfssekundärwicklung 14 und des Gleichrichters 26 eingeschaltet.
Der Gleichrichter 26 ist wieder vorzugsweise ein Trockengleichrichter, der sich
in Graetz-Schaltung befindet und dessen Ausgang über den, Lichtbogen parallel zum
Ausgang des Hauptschweißgleichrichters 16 liegt. Die Gleichrichterelemente 29 des
Hilfsgleichrichters 26 sind ebenfalls vorzugsweise Selengleich.richter, in üblicher
Weise zu Säulen gestapelt. Für die an den Hilfskreis angelegte Leerlaufspannung
von 80 V sind Säulen zu mindestens drei Platten erforderlich.
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Der Ausgang des Hilfskreises ist pulsierender Gleichstrom, der nicht
in Phase mit dem Hauptschweißstrom liegt. Der nutzbare Phasenunterschied zwischen
den Ausgängen des Hilfskreises und des Hauptschweißkreises ist das Ergebnis der
kombinierten Phasenschiebereffehte der Kapazität im Hilfskreis und der Induktivität
im Hauptschweißkreis. In der Konstruktion dieser Kreise besteht offensichtlich ein
beträchtlicher zulässiger Spielraum, um den erforderlichen Phasenunterschied zu
erzielen. Wenn es auch das Ziel ist, den Phasenunterschied nahezu 90° groß zu machen,
so kann die Maschine auch schon bei Phasenunterschieden von nur 15° zufriedenstellend
arbeiten. Im beschriebenen Hilfskreis werden die Kapazität 27 und der Widerstand
28 so ausgewählt, daß sie eine Phasenverschiebung von nahezu. 90° gegenüber dem
Ausgang des Hauptschweißkreises bewirken und den Stromausgang des Hilfskreises auf
etwa. 5 A begrenzen. Der Hilfskreis erhält die Luftspaltfähigkeit des Lichtbogens
aufrecht, wenn der Hauptschweißstrom nach jeder Halbperiode auf Null sinkt, und
aus diesem Grunde wird der Hilfskreis auch »Aufrechterhaltungsstromkreis« genannt.
Die geringst zulässige Phasenverschiebung zwischen: den .>'Ausgängen von Haupt-
und Hilfskreis kann als diejenige definiert werden, die am Luftspalt des Lichtbogens
zu jeder Zeit eine Spannung aufrechterhält, die genügend groß ist, den Lichtbogen
nicht verlöschen zu lassen.
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Die Spa,nnungs- und Strombeziehungen im oben beschriebenen Stromkreis
werden entsprechend in den Fig. 2 und 3 dargestellt. In Fig. 2 stellt En die Spannungswelle
dar, die an die Primärwicklung 12 des Schweißtransformators 11 angelegt wird. In
den meisten Fällen wird diese Spannung eine Frequenz von 60 Hz besitzen. Unabhängig
von der Frequenz ausgedrückt wird eine Periode durch 360°-Winkel des die Welle erzeugenden
Elements verkörpert. Die Ausgangsspannung des Hauptschweißkreises allein wird in
Fig. 2 durch die Kurve E. dargestellt. Der ausgezogen dargestellte Teil dieser Kurve
ist der tatsächliche Spannungsverlauf vom Hauptschweißgleiehrichter 16 während-
des Schweißens. Der flache Teil oben an dieser Kurve, ist die Lichtbogenspannung,
über die der Gleichrichterausgang nicht ansteigen kann, wenn der Lichtbogenspalt
leitend ist. Die gestrichelte Linie stellt die Weiterführung der Kurve
Ein bis zur vollen Leerlaufspannung dar. Ähnlich stellt El. die Ausgangsspannung
des Aufrechterhaltungsstromkreises allein dar. Auch hier wird die Maximalspannung
auf die Lichtboge:uspannung begrenzt, wenn der Lichtbogenspalt leitend ist und die
gestrichelte Linie stellt die Weiterführung der Kurve Ek zur vollen Leerlaufspannung
dar. Die Aufrechterhaltungsspannung Ek eilt der Hauptschweißspannung Ein um nahezu
90° voraus infolge der sich addierenden Wirkungen der induktiven Nacheilung im Hauptschweißstrom.kreis
und der kapazitiven Voreilung im Hilfskreis. Die beiden Wirkungen verschieben diese
Kurven in entgegengesetzte Richtungen, und zwar von einer theoretischen Sekundärspannungskurve
aus, die gegenüber der Primärspannungskurve um 180° phasenverschoben ist.
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Fig.3 zeigt die Stromverhältnisse im Stromkreis. Sie besitzt die gleiche
Zeitabszisse wie Fig. 2. Beim Betrachten der Figuren erkennt man, daß der Hauptschweißstrom,
dargestellt durch die Kurve IR=, mit der Hauptschweißspannung Ein und der Aufrechterhaltungsstrom
Ik mit der Aufrechterhaltungsspannung EI,, völlig in Phase liegt. Praktisch besteht
der gesamte Schweißstrom aus dem Hauptschweißstro,m. Der Aufrechterhaltungsstrom
1k besitzt einen sehr niedrigen Maximalstrom und wird so ausgewählt, daß er wenig
mehr als das bloße llinimum beträgt, das erforderlich ist, damit der Lichtbogenspalt
bleibt, wenn der Hauptschweißstrom auf Null sinkt. Der Strom, der durch jede der
Gleichrichterschaltungen geliefert wird, sinkt auf Null ab,
wenn
die Spannung seines Kreises unter die Lich.tbogenspannun:g sinkt. Die gleichrichtende
Wirkung der Gleichrichterschaltungen verhindert das Rückströmen des Stromes durch
den. anderen Gleichrichter, wenn die Spannung des einen die , des anderen übersteigt.
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Der oben be'sch'riebene Kreis schafft einen stabilen Schweißlichtbogen
und ergibt gute Schweißergebnisse. Für alle praktischen Zwecke ist seine Stabilität
die gleiche, als wenn beide Gleichrichterkreise, die gleiche Leerlaufspannung wie
die des Kreises mit der höheren Spannung besäßen. Diese Schweißvorrichtung besitzt
viele Vorteile gegenüber üblichen Gleichstromschweißgeräten, einschließlich des
Vorteils geringerer Herstellungskosten. Die Kosten. von Gleichrichtern eines jeden
Typs hängen vom zulässigen Stromdurchgang ab. Die Kosten. steigen bei hohen Strömen
erheb-lieh. Im Falle der Trockengleichrichter, beispielsweise Selengleich,richter,
hängt die maximal tragbare Wechselspannung vom Material ab und ist vom zulässigen
Stromdurchgang unabhängig. Bei handelsüblichen Selengleichrich.tern beträgt die
tragbare Spannung beispielsweise 26 V pro- Platte, unabhängig vom zulässigen Stromdurchgang
durch die einzelne Platte. Es wurde gefunden, daß der Hauptschweißkreis nach der
Erfindung mit einer Leerlaufspannung von etwa 50 V betrieben werden kann. Das bedeutet,
daß Säulen mit nur je zwei Platten in der Gleichrichtereinheit des Hauptsch.weißkreises
verwendet werden können.
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Erfindungsgemäß ist der Stromkreis mit der höheren Spannung der Aufrechterhaltungskreis,
der einen sehr geringen Stromdurchgang besitzt. Obwohl in diesem Kreis eine Säule
aus drei oder, vier Platten erforderlich ist, sind seine Kasten sehr gering, da,
der zulässige Strormd:urchgang durch seine Platten. niedrig sein kann.
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Ein weiterer Vorteil hinsichtlich der Herstellungs-und Betriebskosten
einer erfindungsgemäßen Schweißmaschine entsteht dadurch, daß ein. erforderliches
zusätzliches Phasenschieben, zusätzlich zu dem ohnehin im Haupt- und Hilfskreis
vorhandenen, durch einen induktiven Widerstand in einem der Kreise erfolgen kann.
Dieses geschieht gewöhnlich im Kreis mit geringem Strom, um Ausrüstungskosten einzusparen.
Zusätzlich zum Phas,enschieben beider Kreise in entgegengesetzte Richtungen wie
im vorangehenden Beispiel kann. der Leistungsfaktor in die Nähe von Eins gebracht
werden.
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Ein anderer Vorteil des oben beschriebenen Stromkreis,es liegt darin,
daß er einen stabilen Gleich.stromschweißlichtbogen aus einem Einphasenwechselstrom
aus dem üblichen Einphasennetz erzeugen kann., das normalerweise in jeder Wohnung,
auf dem Lande oder in jeder Werkstatt vorhanden ist. Der Primärstrom übersteigt
dabei nicht die Leistungsfähigkeit der normalen Haushalts- oder Werkstattstromleitungen.
Ein Schweißgerät verbraucht beispielsweise primär etwa 30 A Einphasenwechselstrom.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist bei dem jeweiligen Schweißstrom der Primärstromverbrauch
im Schweißtransformator nur ein Minimum. Das wird dadurch bewirkt, daß der Hauptschweißstromkreis
nur auf die relativ niedrige Leerlaufspannung von etwa 50 V ausgelegt ist und daher
das Transformation.sverhältnis des Schweißtransformators relativ groß sein kann.
Je größer dieses Verhältnis., desto geringer ist der Primärstrom, der für
einen gegebenen: Schweißstrom erforderlich ist. Der Aufrechterhaltungsstromkreis
besitzt dagegen die höhere Leerla,u.fspannung von etwa, 80 V bei entsprechend kleinerem
Transformationsverhältnis. In ihm fließt jedoch nur ein sehr kleiner Strom, der
den gesamten Primärstrom nur wenig erhöht. Mit einer Schweißmaschine nach der Erfindung
kann aus einem 30-A-Primärstrom eines 115-V-Einphasennetzes ein Schweißstrom von
etwa 50 A erzeugt werden, wenn ein Niederstrom-Aufrechterhaltungskreis mit einer
Leerlaufspannung- von etwa 80 V verwendet wird. Ähnlich, kann ohne Überschreitung
der üblichen 30-A-Grenze ein Schweißlichtbogen von etwa 100A erzeugt werden, wenn
die Maschine an ein 230-V-1\Tetz angeschlossen ist.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die verringerten
Erwärmungsschwierigkeiten und die damit verbundenen, verringerten Leistungsverluste
im Vergleich zu üblichen Gleichrichterschweißmaschinen. Die Hitze entsteht, und
die Leistung geht verloren beim Schweißstromdurchgang durch die Gleichrichterelemente.
Der Leistungsverlust durch Erwärmung wird' durch Verringerung der Anzahl der Gleichrichterplatten
pro, Säule im Hauptschweißstromkreis auf' ein Minimum reduziert. Beim Durchtritt
des geringen Aufrechterhaltungsstromes durch seine Gleichrichterelemente wird nur
wenig Wärme! erzeugt. Zusätzlich zur Einsparung von Verlustleistung infolge Erwärmung
entsteht eine weitere Leistungs- und Kostenersparnis dadurch, daß bei geringeren
Stromwärmeverlusten die Leistungsaufnahme eines Bläsers od. dgl. zur Kühlung proportional
abnimmt.
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Offensichtlich sind unter Beibehaltung der Merkmale der Erfindung
viele Variationen und Änderungen möglich. Einen solchen abgeänderten Stromkreis
zeigt die schematische Darstellung von Fig.4. In dieser Vorrichtung werden an Stelle
des einen Transfo,rmators mit zwei Sekundärwicklungen nach Fig. 1 zwei Transformatoren
verwendet. Der Phasenschieber für den Aufrechterhaltungskreis befindet sich besser
im Primär- als im Sekundärkreis. Die Gleichrichterschaltungen ergeben, Einphasen-Zweiweggleichrichter
wie bei den im. Stromkreis von Fig. 1 dargestellten Graetz-Gleichrichtern. Nach
Fig. 4 besteht der Hauptsch.weißstromkreis aus dem Hauptschweißtransformator 41
mit einer Primär- 42 und einer Sekundärwicklung 43. Die, Gleichrichter 44 sind mit
je, einem Ende der Sekundärwicklung 43 und mit dem Werkstück 46 verbunden. Eine
Leitung von der Mittelanzapfung der Sekundärspule 43 vervollständigt dien Stromkreis
über einen Stromeinsteller, beispielsweise eine veränderliche Induktivität 47, zur
Schweißelektrode 48, die vom Elektrodenhalter 49 gehalten wird. Dieser Zweiweggleichrichterkreis
stellt den Ha,uptschweißkreis dar und ist für eine relativ niedrige Spannung des
offenen Stromkreises ausgelegt. Der Aufrechterhaltungsstromkreis wird vom Aufrechterhaltungstransformator
51 mit einer Primärwicklung 52 und einer Sekundärwicklung 53 gespeist. Eine ähnliche
Gleichrichterschaltung mit Gleichrichterele,menten 54 liegt parallel zum Hauptschweißkreis
über dem Sch.weißlichtbogenspalt, der zwischen der Schweißelektrode 48 und dem Werkstück
46 besteht. Ein. Kondensator 56 im Primärkreis des Auf -rechterhaltungstransfo-rmators51
verschiebt die Phase des Ausgangs des Aufrechterhaltungs-Gleichrichterkreises, so,
daß die Spannungsschwankungen des Aufrechterhaltungskreises tatsächlich um 90° versetzt
gegenüber den entsprechenden Spannungsschwankungen des Hauptschweißstro-mkreises
liegen. Ein Widerstand 57 begrenzt den Strom im Aufrechterhaltungsstromkreis. Man
erkennt, daß diese in vieler Hinsicht
gegenüber der vorigen veränderten
Schaltung alle Vorzüge und Vorteile beibehält, die für die Ausführungsform der Erfindung
nach Fig.1 herausgestellt worden sind.
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Offensichtlich kann eine Schweißstromquelle der geschilderten Art
für alle: Arten von Gleichstromlchtbogenschweißungen mit Erfolg angewandt werden
ohne Rücksicht darauf, ob der Lichtbogen zwischen einer Elektrode und einem Werkstück
oder zwischen zwei Elektroden. besteht.
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Obwohl nur zwei typische Verkörperungen der Erfindung hier im einzelnen.
gezeigt und beschrieben worden, sind, ist es selbstverständlich, daß die, Erfindung
nicht auf die -"zeigten speziellen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern daß
innerhalb des Rahmens der Erfindung noch andere Ausführungsformen möglich sind.