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Regelvorrichtung für Gleichstromschweißmaschinen mit vermagnetisierter
Drossel im Gleichstromschweißkreis Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur Begrenzung der Kurzschlußstromspitzen beim Schweißen mit abschmelzender Elektrode
unter Schutzgas, insbesondere unter Kohlendioxyd.
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Beim Schweißen unter Schutzgas mit abschmelzender Elektrode (MIG-Schweißen)
werden heute vorwiegend Stromquellen mit flacher statischer Strom-Spannungs-Kennlinie
verwendet. Diese sind unter der Bezeichnung Konstantspannungsmaschinen bekannt.
Die Schweißung erfolgt hierbei stets mit Gleichstrom, wobei in der Regel die Elektrode
an den Pluspol der Schweißmaschine gelegt wird.
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Diese Schweißmaschinen besitzen den Vorteil der Selbstregelung, d.
h., daß bei Änderung der Drahtvorschubgeschwindigkeit die von der Schweißmaschine
abgegebene Stromstärke automatisch der veränderten Zuführ- und Abschmelzgeschwindigkeit
des Schweißdrahtes angepaßt wird. Solche Maschinen sind auch weitgehend unabhängig
von willkürlichen oder unwillkürlichen Bewegungen, bei denen der Abstand zwischen
Drahtaustrittsdüse des Schweißbrenners und dem Werkstück verändert wird. Derartige
Schwankungen treten vor allem beim Handschweißen in gewissen Grenzen auf, wobei
bei gutem Selbstregeleffekt der Schweißmaschine nur minimale Änderungen der Lichtbogenlänge
zu verzeichnen sind.
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Konstantspannungs-Schweißmaschinen haben sich für die MIG-Schweißung
sehr gut bewährt, wenn beim Schweißvorgang keine oder nur wenig Kurzschlüsse auftreten.
Man spricht in diesem Fall von einem sogenannten sprühregenartigen Tropfenübergang.
Der Werkstoff wird in feinen Tropfen auf das Grundmaterial übertragen, wobei zwischen
dem zugeführten Draht und dem Schweißbad kein eigentlicher Kurzschluß auftritt,
sondern das Material in Form feiner Tröpfchen sprühregenartig übertragen wird. Derartige
Lichtbogenformen treten insbesondere bei Verwendung von Argon oder Helium als Schutzgas
auf.
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Bei Verwendung von Kohlendioxyd als Schutzgas ändert sich der Materialübergang
grundlegend dadurch, daß vor allem im Bereich niedriger spezifischer Strombelastungen
des Schweißdrahtes so große Materialtropfen entstehen, daß zwischen dem zu- <
geführten Schweißdraht und dem Schweißbad bzw. dem Werkstück während des Schweißvorganges
zahlreiche Kurzschlüsse auftreten. Bei Verschweißung dünner Drähte mit einem Durchmesser,
der in der Regel zwischen 0,6 und 1,2 mm liegt, ist man sogar bestrebt, einen kurzschlußartigen
Trbpfenübergang zu erzielen, da dadurch der Grundwerkstoff weniger stark erhitzt
wird als bei einem dauernd brennenden und nicht durch Kurzschlüsse unterbrochenen
Lichtbogen. Durch den obenerwähnten Effekt gelingt es, Material verhältnismäßig
dünner Stärke nach dem MIG-Verfahren zu verschweißen,, ahne daß die Gefahr besteht,
daß ein Loch in die Schweißnaht gebrannt wird. Man spricht dabei von einem kurzschlußartigen
Tropfenübergang, wobei die Tropfenfrequenz in der Regel über 50 Tropfen je Sekunde
beträgt. Das Verfahren wird dementsprechend als Kurzlichtbogen-Schweißverfahren
bezeichnet.
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Durch die Kurzschlüsse entstehen bei Verwendung üblicher Konstantspannungs-Schweißmaschinen
verhältnismäßig hohe Kurzschlußspitzen, die den Nachteil einer erhöhten Bildung
von Schweißspritzern und eines sehr harten Lichtbogens ergeben. In der Regel wird
auch gleichzeitig die Nahtoberfläche ungünstig beeinfiußt.
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Um den oben geschilderten Effekten zu begegnen, ist es bekannt, der
Schweißmaschine entweder eine stärkere Neigung der statischen Strom-Spannungs-Kennlinie
zu geben oder in den Schweißstromkreis eine zusätzliche Induktivität einzuschalten.
Beide Anordnungen bezwecken, den dynamischen Kurzschlußstrom auf Werte zu begrenzen,
wie sie für den Schweißvorgang brauchbar sind, die aber mit Nachteilen erkauft werden
müssen.
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Eine starke Kennlinienneigung vermindert den Selbstregeleffekt der
Konstantspannungs-Schweißmaschine. Dies bedeutet aber, daß bei Veränderung der Drahtvorschubgeschwindigkeit
oder bei Bewegung des Schweißbrenners auch die Lichtbogenstabilität ungünstig beeinflußt
wird. So müssen daher z. B. die Leerlaufspannung und die Kennlinienneigung
der
jeweiligen Drahtvorschubgeschwindigkeit genau angepaßt werden, um brauchbare Schweißergebnisse
zu erhalten.
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Es ist ferner bekannt, daß die Einschaltung einer Induktivität in
den Stromkreis bewirkt, daß bei einem auftretenden Kurzschluß der zeitliche Verlauf
des Stromanstieges verzögert wird und dadurch auch die Kurzschlußspitzen begrenzt
werden können. Nachteilig wirkt sich dabei jedoch aus, daß durch den verzögerten
Verlauf des Stromanstieges auch das Ablösen und Aufschmelzen des Kurzschlußtropfens
verzögert wird. Dies kann bei zu hoher Induktivität so weit führen, daß der Kurzschluß
dauernd bestehen bleibt und sich überhaupt kein Lichtbogen mehr bildet. Bei etwas
kleineren Werten der Induktivität kann es passieren, daß die Kurzschlußzeit gegenüber
der Brennzeit des Lichtbogens zu groß wird, wodurch eine stark überwölbte Naht entsteht.
Es ist aus diesem Grund notwendig, die Größe der Induktivität den jeweiligen Schweißverhältnissen
genau anzupassen.
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Es ist ferner zu berücksichtigen, daß sich Kennlinienneigung, Induktivität
und Leerlaufspannung gegenseitig beeinflussen, so daß bei Schweißmaschinen, bei
denen alle drei Größen veränderlich sind, nur schwierig die günstigste Einstellung
gefunden werden kann.
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Bekannt ist es ferner, bei Schweißstromquellen vormagnetisierte Drosseln
im Gleichstrom-Schweißkreis anzuordnen, die aber nicht zur Begrenzung von Kurzschlußstromspitzen
dienen. Zum Abfangen, des Einschaltstromstoßes bei über vormagnetisierte Drosseln
gespeisten Gleichrichtern hat man auch schon auf der Gleichstromseite einen normalen
Dämpfungswiderstand vorgesehen. Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, zur Begrenzung
der Kurzschlußstromspitzen bei Gleichstromschweißmaschinen zur Verschweißung von
abschmelzenden Elektroden, wobei in dem Gleichstromschweißkreis eine vormagnetisierte
Drossel angeordnet ist, die Vormagnetisierung mit einem Hilfsstrom so hoch zu wählen,
daß sie sich vor Beginn des Schweißvorganges im Sättigungsbereich des magnetischen
Kernes befindet und die Richtung der Vormagnetisierung entgegengesetzt der Richtung
der Magnetisierung durch den Schweißstrom zu schalten.
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Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung, die z. B. als zusätzliches
Gerät an eine normale Konstantspannungsmaschine angeschlossen werden kann, gelingt
es, die Höhe der dynamischen Kurzschlußspitzen zu begrenzen, ohne daß dabei die
Kennlinienneigung oder der rasche Stromanstieg bei Kurzschlußbildung verzögert wird.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist die Vormagnetisierung
veränderlich. Sie wird zweckmäßigerweise nach einem weiteren Vorschlag auf einen
Wert eingestellt, der so hoch ist, daß während des Schweißvorganges der Schweißstrom
bei brennendem Lichtbogen die Drossel noch nicht aus dem Sättigungsbereich bringt,
während durch die erhöhten Kurzschlußspitzen die Magnetisierung der Drossel so weit
getrieben wird, daß sie aus dem Sättigungsbereich in den Wirkungsbereich des magnetischen
Kernes gelangt. Dadurch wird erreicht, daß die Wirkung des magnetischen Kernes der
Drossel erst bei Überschreiten des Stromes des brennenden Lichtbogens eintritt,
wie dies z. B. bei jeder Kurzschlußbildung der Fall ist. Dadurch gelingt es, die
Kurzschlußstromspitzen auf einen Wert zu begrenzen, der durch die Höhe der Vormagnetisierung
gegeben ist, d. h., daß die Induktivität der Drossel von dem Moment an stark erhöht
wird, in dem der Kern derselben aus der Sättigung in den magnetischen Bereich gelangt.
Die Begrenzung des Kurzschlußstromes erfolgt dabei ohne Beeinflussung der Steilheit
des Stromanstieges bei Kurzschlußbildung. Durch den erwähnten Effekt gelingt es,
übermäßiges Spritzen durch zu starke Stromspitzen bei Kurzschlußbildung zu vermeiden,
ohne daß dabei die Ablösung des gebildeten Tropfens durch einen verlangsamten Anstieg
des zeitlichen Verlaufes des Kurzschlusses verzögert wird, wie dies z. B. beim Einschalten
gewöhnlicher Induktivitäten in den Schweißstromkreis der Fall ist.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Kernwerkstoff
aus einem magnetisch hochpermeablen Material besteht, das einen starken Knickpunkt
in der Magnetisierungskurve beim Erreichen der Sättigung besitzt. Dies hat den Vorteil,
daß bei hochpermeablen Werkstoffen mit einem starken Knick in der Magnetisierungslinie
im ersten Moment der Kurzschlußbildung der Anstieg des Kurzschlußstromes sehr steil
erfolgt, da die Induktivität im Sättigungsbereich der Drossel sehr klein ist. In
dem Moment, in dem der Kurzschlußstrorn einen derartigen Wert erreicht, daß der
Kern der Drossel aus dem Sättigungsbereich in seinen magnetisch wirksamen Bereich
gelangt, wird die Wirkung der Drossel plötzlich hundert- bis tausendmal und mehr
verstärkt, wodurch das weitere Ansteigen des Kurzschlußstromes momentan unterbrochen
wird. Es gelingt dadurch, die Kurzschlußzeiten bis zum Ablösen des Tropfens und
bis zu einer neuerlichen Lichtbogenbildung außerordentlich klein zu halten. Werden
weniger permeable Werkstoffe verwendet, die in der Regel auch keinen ausgeprägten
Knickpunkt in der Magnetisierungskurve aufweisen, so erfolgt im ersten Moment der
Kurzschlußbildung der Anstieg des Kurzschlußstromes langsamer. Die Wirkung der Drossel
verstärkt sich mit steigendem Kurzschlußstrom immer mehr, ohne daß sie jedoch schlagartig
einsetzt. Durch diesen Vorgang verzögert sich die Ablösung des zum Kurzschluß führenden
Tropfens, wodurch automatisch längere Kurzschlußzeiten entstehen. Besonders vorteilhaft
für die Erfindung ist die Verwendung von korngerichtetem Transformatorenstahl als
Kernwerkstoff. Dieses Material zeichnet sich durch besonders ausgeprägte Knickpunkte
in der Magnetisierungskurve aus.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt verschiedene statische Kennlinien der Gleichstrom-Schweißmaschine;
F i g. 2 zeigt durch die entsprechenden dynamischen Kennlinien den zeitlichen Verlauf
des Kurzschlußstromes (IKO = Dauerkurzschlußstrom, 1T = erforderlicher Strom zur
Ablösung des Tropfens); F i g. 3 zeigt die in den Gleichstromschweißkreis eingeschaltete
vormagnetisierte Drosselspule; F i g. 4 zeigt die Wechselinduktivität in Abhängigkeit
vom Schweißstrom für kleine Signale; F i g. 5 zeigt eine vormagnetisierte Drossel,
bei der durch die Symmetrie der beiden Hilfswicklungen Induktionsstöße vermieden
werden; F i g. 6 zeigt eine vormagnetisierte Drosselspule, deren Hilfsspannung gegen
die Rückwirkung des
Schweißstromstoßes durch einen Gleichrichter
geschützt ist; F i g. 7 zeigt eine vormagnetisierte Drossel, deren Induktivität
über eine weitere Hilfswicklung im Takt des Schweißstromes oder durch geeignete
Wahl des Reglers durch den Mittelwert des Schweißstromes beeinflußt wird; F i g.
8 zeigt eine Magnetisierungskennlinie mit Arbeitspunkten.
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Bei den in F i g. 1 und 2 dargestellten Kennlinien wird vorausgesetzt,
daß bei allen Stellungen der gleiche Dauerkurzschlußsxrom fließt. Mit 1 sind die
Kennlinien der erfindungsgemäßen Einrichtung bezeichnet. Die Kennlinien
2 gehören zu einer Schweißmaschine reit Induktivität im Stromkreis, und mit
3 sind die Kennlinien einer Schweißstrommaschine mit starker Neigung der statischen
Kennlinie benannt. Man ersieht aus den Kennlinien, daß im Fall 1 und 2 die oben
zitierte Selbstregulierung des Lichtbogens durch die flache Charakteristik besser
ist als durch die steilere im Fall 3. Andererseits zeigt F i g. 2, daß in diesem
Fall der Kurzschlußstrom sehr schnell erreicht wird, und zwar mit einer Stromanstiegszeit,
die nur durch die unbeabsichtigten Trägheiten der Stromquelle bestimmt ist. Im Fall
t ist die SirQmanstiegszeit langsamer. Sie wird durch den Kehrwert der Induktivität
bestimmt. Im Fall l der erfindungsgemäßen Ausführung erfolgt der Anstieg mit der
gleichen Schnelligkeit wie im Fall 3. Hier knickt aber bei einem gewissen Punkt
der Stromanstieg ab und verläuft sanft weiter bis auf den Dauerkurzschlußstrom IKD.
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In F i g. 3 ist die vormagnetisierte Drosselspule dargestellt, die
mit einem Kern 1 und einer Wicklung 2 versehen ist. Außerdem weist die Spule noch
eine Hilfswicklung 3 auf. Die Vormagnetisierung OH ist dabei so hoch, daß sich die
Spule bei Erregung der Hilfswicklung 3 im Zustand der Sättigung des Eisenkerns
1 befindet. Fließt durch die Windungen w, ein Schweißstrom 1s, dann wird der Kern
durch die Erregung des Schweißstromes (IS - w,) entmagnetisiert. Dabei entsteht
im Bereich der Sättigung keine nennenswerte Drosselung. Die Spule der Windungszahl
ivs wirkt dann praktisch als Luftspule mit einer entsprechend kleinen Induktivität.
Überschreitet der Schweißstrom den Wert 1T, so ändert sich die Induktivität fast
sprungartig um den Wert der relativen Permeabilitätsänderung des verwendeten Kernmaterials
(s. F i g. 4). In F i g. 3 sind ferner bezeichnet mit 0, die vom Schweißstrom
erzeugte Durchflutung der Spule, mit IH der in der Hilfswicklung fließende Strom
und mit UH die Spannung der Hilfswicklung.
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In F i g. 4 ist mit
die Induktivität bezeichnet, wobei d 0 die Größe des magnetischen Flusses und d
O die Größe der Durchflutung ist. K - lro ist die Luftinduktivität der Drossel,
wobei K eine Konstante der Drossel und ,uo die absolute Permeabilität ist. Der Wert
K -,uo -,u, bedeutet die Induktivität des Kerns im magnetischen Bereich des
verwendeten Werkstoffes, wobei y, der Induktivitätserhöhung der Drossel durch die
spezifische magnetische Eigenschaft des Kernwerkstoffes entspricht.
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F i g. 5 zeigt eine Ausführung, deren Erregerwicklung so ausgebildet
ist, daß Stromstöße des Schweißkreises aus Symmetriegründen keine Wirkung auf den
Erregerkreis zeigen. In der Anordnung nach
Punkt b zeigt den Arbeitspunkt der Drossel während der Brennzeit des Lichtbogens
bei der entsprechenden Stromstärke. Im Knickpunkt der Magnetisierungskurve bei c
wird ein Stromwert erreicht, bei dem der Eisenkern der Drossel wirksam wird. Diese
Stromstärke entspricht auch dem Wert des Kurzschlußstromes, bei dem eine Begrenzung
desselben durch eine Drosselwirkung einsetzt. Bei einer Verschiebung des Ausgangspunktes
a durch Änderung der Vormagnetisierung kann die Begrenzung der Kurzschlußstromstärke
auf beliebige Werte eingestellt werden.
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In der Zeichnung bedeutet OIAW die magnetische Erregung, wobei AW
die Zahl der Amperewindungen ist, 1o der Lichtbogenstrom und wh die Windungszahl
der Hilfswicklung.
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Es ist seit langem bekannt, vormagnetisierte Drosseln zur Regelung
der statischen Kennlinie von Schweißmaschinen zu verwenden. Dabei werden derartige
Drosseln jedoch stets mit Wechselstrom durchflossen bzw. liegen sie im Fall von
Schweißgleichrichtern stets auf der Wechselstromseite der Schweißmaschine. Sie haben
zur Wirkung, daß die statische Kennlinie der Schweißmaschine fallend gemacht werden
kann, wie dies z. B. für Geräte zur Schweißung mit umhüllten Elektroden notwendig
ist. Im Gegensatz dazu wird die erfindungsgemäße vormagnetisierte Drossel stets
mit Gleichstrom und firn Schweißstromkreis betrieben. Ihre Wirkung auf die statische
Kennlinie ist aus diesem Grund praktisch gleich Null. Sie wirkt nur dann, wenn im
Schweißstromkreis Änderungen der Stärke des Gleichstromes auftreten; ihre Wirkung
ist also rein dynamischer Natur.