DE1540911A1 - Einrichtung zur elektrischen Lichtbogenschweissung - Google Patents

Description

Einrichtung zur elektrischen Lichtbogenschwelßung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur elektrischen Lichtbogenschweißung, !nabesondere mit WerkstoffÜbergang im Lichtbogen, d.h. ein Schweißverfahren, in dem eine zu verbrauchende Elektrode kontinuierlich dem Werkstück zugeführt und der SchweißVorgang selbst in einem sich wiederholenden Zyklus abläuft. Dabei berührt die Elektrode zuerst das Werkstück - oder taucht in eine SchweißscLiuelEe ein - wodurch ein elektrischer KurzachlUß mit hohem Strom eintritt, der das Ende der Elektrode zum Schmelzen bringt und vermutlich ein Tröpfchen bildet, das auf das Werkstück unter gleichzeitiger Ausbildung eines Lichtbogens zwischen Elektrode und Werkstück übertragen wird. Der Lichfcogen bleibt erhalten, bis die Elektrode wiedertu?i alt dem

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Werkstück oder mit der Schweißschme-lae- in Berührung gebracht wird. Die Frequenz dieses Zyklus wird als Tropfen- / geschwindigkeit bezeichnet. Der Lichbogen kann durch ein geeignetes Gas wie Arc'on, Helium, Kohlendioxyd oder Gasmischungen umgeben werden. ■

Da in dem jeweiligen Schweißzyklus zwei bestimmte Zeiträume (die Spanne des Kurzschlußes und die Spanne JeS Lichtbogens) vorhanden sind und da in diesen beiden Perioden der elektrische Widerstnnd zwischen Elektrode und Werkstück zwei sehr unterschiedliche Werte annimmt, ändert sich auch'der Schweißstrom während eines Zyklus innerhalb zweier bestimmter Abschnitte, nämlich dem des Schweißstromes während des Kurzschlußes und dem el es Lichtbogenstromes.

Die vorliegende Erfindung betrifft nun in einer ihrer Ausführungsfordnen einen Schweißapparat zur elektrischen Lichtbogenschweißung mit Werkstoffübergang im Lichtbogen, in dem Mittel zur Stromversorgung eines Schweißkopfes vorhanden sind. Dieser Apparat ist se ausgebildet, daß die Mittel zur Stromversorgung (vorzugsweise einstellbar) derart steuerbar sind, daß mindestens eine der Kenngrößen des Kurzschlußsfromes oder des Lichtbogen-, stromes, z.B. die Stromänderungsgeschwindigkeit oder die Stromstärke gegenüber den anderen Kenngrößen bevorzugt geändert wM.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind-Mittel vorgesehen, die die Kenngrößen des Kurzschlußstromes und des Lichtbogenstromes unabhängig voneinander steuern.

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Weiter kann, gemäß der Erfindung ein Teil der Stromanstiegsoder abfallkurve in jeder der beiden Schweißperioden unabhängig von einem anderen'Teil der Kurve geändert werden.

Gemäß einer besonderen Ausbildimg, eier Erfindung wird die Steuerung derart durchgeführt, daß die Impedanz"des Schweiß-Stromkreises während eines Teiles des Schweißzyklus geändert wird und dann sehr schnell zu einem für den restlichen Zyklus vorbestimmten Wert zurückgeführt wird. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Steuerung dadurch er.eicht, daß ein Stromimpuls dem Hauptschweißstrom während eines Teiles des Arbeitszyklus überlagert v/i rd (d.h. gegen Ende der Kurz Schluß-· zeit.)

Die Änderungen der Impedanz oder der Impulsüberteg gang können in Abhängigkeit von Widerstandesänderungen beim Schweißen oder unabhängig davon erzeugt werden.

Wegen der hohen Frequenz des Arbeitsvorganges ißt die Verwendung schnell arbeitender elektrischer Schalter zur Änderung der Impedanz oder zur Impulaüberlagerung der Verwendung mechanischer Schalter vorzuziehen. Zur schnellen Xnierun^ der Impedanz während eines Schweißzyklus sollte eine sättigbare Brossel in der Art eines Transduktors mit Flußrückstellung verwendet werden· Sine derartige Anordnung besteht aus einem magnetischen Eisenkreis mit einer Arbeitewicklung und einer Rückstellwicklung. Weitere Steuerwicklungen können gleichfalls verwendet werden. Die Wirkungsweise der Arbeitswicklung und der Rückätellwicklung ist derart, daß in ihrem Stromkreis jeweils ein Halbwellengleiohriehter

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liegt, der den Stromfluß während jeder Periode der Speisestromfrequenz auf eine Richtung beschränkt. Jeder aus Wicklung und Gleichrichter "bestehende Stromkreis erhält eine Yfechselspannung, wobei die beiden Wechselspannungen entgegengesetzt gerichtet sind und entgegengesetzte Phase haben. In der Rtickstellwicklung kann lediglich eine Halbwelle des Speisestromes fließen. Ihre Amporewindungszahl bestimmt die ITußdichte und damit den Spannungsabfall an der Arbeitswicklung während der folgenden Halbwelle des Speisestromes, wenn der Lastetrom beim Schweißen fließt. Der Strom im jeweiligen Stromkreis,ist durch die entsprechende Impedanz begrenzt.

Statt der Tlußrücksteiltraneduktoren können auch Thyristoren verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Schweißeinrichtung bietet, verschiedene praktische Vorteile. Wird beispielsweise die Steuerung veränderlich durchgeführt, so kann die Einrichtung vielseitig verwendet werden. Siekann zur Herstellung ähnlicher Schweißungen unter verschiedenen Bedingungen (z.B. bei Verwendung von Elekr troden unterschiedlicher Zusammensetzung) oder zur Veränderung der hergestellten Schweißungen z.B. in Schweißtiefe und -form, eingesetzt werden. Besonders durch die Steuerung der Anstiegegeschwindigkeit des Kurzj.chlußstromes kann die zur Schmelzung der Elektrode erforderliche Zeit sur Zuführung der entsprechenden Energie gesteuert v/erden. Ein steiler Anstieg oder Stromimpuls verursacht einen schnellen Anstieg bei der Energiezuführung und kann so aur Steuerung der Tropfengeschwindigkeit und zur Ver-

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bes.'-erung ihrer Frequenz vei'wendet werden. Die Steuerimg des Stromes während der Lichtbogenperiode bei einer vorgegebenen Elektrodenzuführungsgeschwindigkeit ermöglicht eine entsprechende Änderung der dem Werkstück zugeführten Energie, wodurch wiederum eine Steuerung der Eindringtiefe und der Breite der Schmelzzone möglich ist.

An Hand der Zeichnungen werden nun die Erfindung und einige ihrer lusführungabeispiele näher beschrieben« Im einzelnen zeigen:

Flg.1 eine Strom-Zeit-Kurve eines herkömmlichen Schweißzyklue, Fig.2 eine Strom-Zeit-Kurve gemäß der Erfindung, Fig.3 das Schaltschenia eines ersten'Schweißetromkreises, Fig.4 die Schaltschema eines zweiten Schweißetroakreiaee Fig.5 ein Schaltbild eines eriten praktisch zu verwendenden

Schweißstromkreises,
Fig.6 einen abgewandelten Rückstellkreis zur Verwendung in

der Schaltung' gemäß Fig.5,
Fig.7 einen abgewandelten Laatstroakr«!· zur Verwendung mit

der Schaltung gemäß Fig.5»
Fig.θ das Schaltbild eines zweiten praktisch zu verwendenden

Schweißetromkreiees,
FIg*9 eehematisch die Wellenform' der Ausgangsspannung eines

Thyristor-Stromkreiseβ mit einem gegebenen Zündwinkel, Fig. 10 daß Schaltbild eines dritten praktisch zu verwendenden Schwelßetromkreises,

Fig.11 eine Strom-Zeit-Kurve für einen unter Anwendung der Schaltung gemäß Fig.10 ablaufenden Schweißzyklue,

Fig. 12 einige typische etatische Strom-Spannungskuriren für die. Schaltungen gemäß Fig.5 und 8,

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Fig.TJ einige typische statische Strom-Spannungskurven für die Schaltung gemäß Pig,10,

Pig.14 einige typische Wellenformen von Kurzschlußströmen für die Schaltungen gemäß Pig.5 und 8,

Pig.15 einige typische Wellenformen der Kurzschlußströme der Lichtbogeneinheit aus Pig.10,

Fig.i6 einige typische Wellenformen der Kurzschlußströrae der Schaltung gemäß Fig.10,

Fig.17 typische Verläufe zweier mit hoher Geschwindigkeit ablaufender Schweißzyklen unter Verwendung der Schaltungen gemäß Fig.5 und 8, und

Fig. ,10 und 19 typische Verläufe zweier mit hoher Geschwindigkeit , ablaufender Schweißzyklen unter Verwendung der Schaltung gemäß Fig.10, wobei jede Figur die Ausgangsleistung der Lichtbogeneinheit, des Impulserzeugers sowie die gesamte Ausgangsleistung der Schaltung zeigt.

Fig.1. zeigt in schematischer Datstelluhg eine typische Strom-Zeit-Kurve für eine Gleichstromschweißschaltung, die bei Schweißen mit Werkstoffübergang und in Schutzgasathmosphäre verwendet wird. Der aufsteigende Teil 10 der Kurve zeigt den KurzßchluSstrom, der bei 4er Berührung des Werkstückes mit der Elektrode auftritt. Bei Punkt 11 schmilzt die Elektrode und es entsteht ein Lichtbogen. Der absteigende Teil 12 der Kurve zeigt den Lichtbogenstrom, wobei die Elektrodenspitze erneut sich dein Werkstück nähert.

Die Pontf der Kurve kann in gewissem Ausmaße durch Änderung des Wertes der charakteristischen Induktivität der Schaltung geändert werdjgtj.^- jed.och werden dadurch alle Kurven teile gleichzeitig be-

troffen." ■ «09884/0776 _{BAD 0RlQlNAL}

Fig.2 zeigt eine Kurve, die sich merklich von der in Pig.1 gezeigten Kurve unterscheidet und die man bei Verwendung herkömmlicher Einrichtungen nicht "beliebig erreichen, kann. Zu Beginn steigt der Kurzschlußstrom wie bei der Kurve 10 gemäß. der Kurve 15-an, jedoch steigt er entsprechend der Kurve 16 dann schnell bis zu einem Punkt 17, bei dessen Erreichen die Elektrode schmilzt. Dann fällt der Strom sehr plötzlich ab und der Lichtbogenstrom erreicht einen praktisch konstanten Wert, wie er durch die linie 18 gezeigt i3t.

Die in Pig·2 gezeigte Kurve hat folgende vorteilhafte Eigenschäften:

a) Schneller Anstieg des Kurzschlußatromes bis zum Ende der Kurzschlußzeit, so daß ein relativ großer Stromunterschied bei schmelzender Elektrode eine relativ kleine Änderung der Schmelzzeit der Elektrode verursacht»

b) Lichtbogenatrom mit einstellbarer Wellenform.

Es ist wünschenswert, daß die Wellenform des Kurzschlußstroaes sowie die des Lichtbogenstromea unabhängig voneinander geändert werden können, damit die richtigen Werte für die jeweils verwendeten Elektroden verschiedener Zusammensetzung oder Eigenschaften erreicht werden. Werden verschiedene Elektrodentypen zusammen mit herkömmlichen Stromquellen verwendet, so sind aie erhaltenen Schweißungen durch die Unterschiede beim Schweißen und beim Werkstoffübergang auch in ihrer äußeren Form verschieden. Kann man jedoch die Werte der Stromquelle ändern und den jewtdls

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ve s· v/ende ten Elektroden anpassen, oo werden die Schweißun^en in ihrer äußeren Form einheitlich.

Fig. 5 und 4 zeigen schema tisch "zwei verschiedene Schaltungen für Schweißstromkreise, die unabhängig voneinander den Lichtbogenstrom und den Kurzschlußstrom in Abhängigkeit vom Widerstand der Schweißstelle regeln,

Die in Fig.3 gezeigte Schaltung besteht aus einem Regeltransformator 20, aus einem gesteuerten oder uigeateuerten Gleichrichter 21, einer Drossel"11, einem Widerstand oder einer Induktivität 23 und einer Kontakteinrichtung oder einem gesteuerten Gleichrichter 24. Bei Kurzschlußbildung durch die- Elektrode wird die Kontakteinrichtung 24 nach einer vorbestimmten Zeitverzögerung betätigt, wodurch die Drossel 23 ausgeschaltet und der Strom durch die Elektrode erhöht wird. Ferner kann der Strom durch'Erhöhung der Sekundärspannung des Transformators erhöht werden, wobei der anfängliche Stromanstieg durch die Induktivität des Stromkreises bestimmt ist. Am Ende der Kurzschlußperiode (wenn die Elektrode schmilzt) wird die Kentakteinrichtung geäffnet, und der Strom während der folgenden Lichtbogenperiode wird durch die Spannung des Regeltransformator 20 bestimmt. Die Sfeeuerstromkreise sind in ihren Einzelheiten nicht dargestellt.

Die in Pig.4 gezeigte z.eite Schaltung enthält einen Regeltransformator 30 mit zwei Sekundärwicklungen 33 und 35. Ber Strom für die Lichtbegenperiode wird der Vfcklung 35 über die BrüekengleIchrichter 36, den einstellbaren Widerstand 37 und die einstellbare Drossel 32 entnommen· Bei Kurzschluß durch den Elektrodeiidraht

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schließt die Kontakteinrichtung 34 nach einer Verzögerungszeit, und über die Uiellung 33 und den ErückengMchrichter 31 wird ein Stromimpuls erzeugt.

In dem typischen in Pig.2 gezeigten Schweißzyklus, der durch Anwendung der in Pig*3 und Fig.4 gezeigten. Schaltungen entsteht, entspricht der Lichtbogenstrom.dea; durch die Kurve 18 dargestellten Verlauf. Entsteht ein Kur-zechluß, go steigt der« Strom gemäß der Kurve 15 an, und zwar abhängig von der Induktivität der Schaltung. Wenn der Schalter der Kontakteinrichtung geachlocsenvird, steigt der Strom dann schnell gemäß der Kurve. 16 an, bis bei Erreichen des Punktes 17 der Elektroderidraht schmilzt, -

In den Schaltungen der Pig.3 und Pig4 sind die Kontakteinrichtungen als mechanische Schalter dargestellt, jedoch arbeitenderartige Schalter in der Praxis nicht schnell genug und es werden andere Einrichtungen eingesetzt. "

Pig.5 zeigt eine derartige in der Praxis verwendete Schaltung, die in der Ausführung der Schaltung aus Pig.3 entspricht, in der Halbwell en-Transd\ik tor en mit Flußrückstellung als Schalter oder Steuerorgane verwendet werden.

Der Transforxaeior 50 hat Sekundärwicklungen 59 und 6t und ist in Dreiphasen-Dreieckschaltung dargestellt, obwohl auch Ein- oder Mehrphäsenschaltungen anderer Art und Zusammenstellung verwendet werden können. Die Gleichrichter 51 sind in Dreiphasen-Brückenschaltung dargestellt. Die Halbwellen-Trajisduktoren mit JlußrÜck-

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stellung haben jeweils eine Arbeitswicklung 53» eine RUckatellwicklun^ 54, die mit einem Rückstellgleichrichter 5f< und einem Ruckatellwiderotand 60 verbunden i3t, eine Yormagnetieierungcwicklung 56, die mit einem Tormagnetisierungsgleichrichter 57 und einem Vormagnetisierungswiderstand 65 verbunden ist, eine Signalwicklung 62, die mit einem Signalgleichrichter 63 und einem Signalwiderstand 64 verbunden iat, und eine Rückkopplungwicklung 58, die an die Ausgangsklemmen der Arbeitswicklung angeschlossen ist. Die Rückstellwicklungen 54 werden von der Sekundärwicklung 59 des Transformators 50 angesteuert und arbeiten mit den Arbeitswicklungen 53 gegenphasig. Die Signalwicklungen 62 werden von einer Hilfswicklung über einen Brückengleicliriehter mit Gleichstrom gespeist oder, wie gezeigt» von äer Sekundärwicklung 59 des Haupttransformators aus. Die Einstellung des Signalwiderütandis 64 bestimmt die vor dem schnellen Anstieg des Kurzschlußatromes liegende 7erzögerun_oszeit. Der Signalwiderstand 64» der YorepanmingawiVerstand 65 und Rückstellwiderstand 60 können durch eint automatisch arbeitende Steuerschaltung erietst werden· Der Yormagnetieierungswideretand 65 setzt den Arbeitapuakt des Transduktors fest, und swar durch Einstellung des Gleichetromes in den Yormagnetisierungswicklungen, der wÄlerum den Arbeltsbereich auf der Magnetisierungskurve des Transduktorkernes bestimmt. An seiner Stelle kann auch ein automatischer Einstellkreis verwendet werden« In einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Vurmagneti si er ungs wicklung 56 über den Widerstand 65 «it der an der Schweißstelle abfallenden Spannung verbunden, so daß während der Lichtbogenperiode nur ein sehr geringer Yonaagnetisierungsstrom fließt.

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Die .Funktionsweise dieser Schaltung wird nun beschrieben.

In den Schaltungen gemäß Flg.4 und Fig.5 wird der Arbeitalauf vom Moment des Eurzschlußes an betrachtet, (Es wird angenommen, daß die TransduktorSpannung anfangs um den größten Betrag absinkt und daher nur die nötige Gleichspannung an den Hauptschwelßklemmen erscheint, um einen vorher bestimmten Lichtbogenetrom beim Schweißen beizubehalten). φ

Bei Kurzschluß steigt der Strom zn Anfang gemäß der Kurve 15 bis zu einem Wert an, äer von der im Stromkreis herrschenden Gleichspannung und dem Wideretand abhängt. Der anfängliche Betrag der Zunahme während ζ.Β« der era ten 6 Mil" iSekunden erhöht sich noch veiter im falle einer Stromversorgunggfrecnienz von Hz, da die Aiap^rewindungsEahl der Rückkopplungsv/icklung 58 eine kleine Verminderung der Flußdichte m den Kernen der jeweils arbeitenden Transduktoren der beiden gezünäeten Zweige der dreiphasigen Doppelweg-Glefchrichterbrucke bewirkt. Die Rlickkopplun^swicklungtn arbeiten den Rückstellungswicklungen entgegen und reichen aus, ua dit Tranaduktoren in den übrigen vier Zweigen der BrÜoke zurückauBteilen (zu sättigen). Satsprechend wtrdsn die Kerne der Transduktoren, die in den nächsten zwei Perioden von 6 Millisekunden zünden, magnetisch gesättigt. Man erhält dann an den Schv/eiöklemiaen die maximale Spannung und es entsteht ein schneller Stromenstieg, gezeigt durch die Linie 16, der von der geringen Selbstinduktion abhängt, die in dem Hauptschweißstromkreie verbleibt und s,B. durch die Sohwelßkabel und die Transduictorhauptwicklungen 53 verursacht wird.

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Wird das Verhältnis der Ampe'rewlndun^ozahl der Vormc-.gnetisierungswicklungen zu der Amperewindun.jszahl der Rückkop₁-lun^swicl..lun_L;en genau eingestellt, so ist der Einfluß der Ruckkop^lungs-Ampofewindun^szahl gering und wirkt sich zusätzlich auf den Anfang des Kurzschlußes aus (da die Vorspannungswicklung auch ein Ansteigen ■bewirkt) und e» wird eine einstellbare Verzögerung vor der Sättigung der Transduktorkerne erreicht. Bei dieser Erscheinung (d.i. Sättigung) steigt der Strom schnell an, wodurch auch die Sättigung erhöht wird, eo daß in den folgenden 6 Millisekunden der Strom sehr schnell auf einen Eetrag ansteigt, der von der Selbstinduktion im Haupt»chweißstromkreis abhängt (wie bei 16 gezeigt).

Beim Schmelzen der Elektrode wird ein Lichtbogen erzeugt, dessen Widerstand viel größer ist als der Widerstand bei Kurzschluß. Der Strom sinkt schnell auf einen etwas höheren Wert als der Lichtbogenstrom ab, die Ampirewindungozahl der Rückkopplungewicklung wird entsprechend verringert, wobei die Jlußdichte in den Kernen steigt, so daß die Ruckstellungs-AaperewindungiEahl vorherrschend wird und während der folgenden 6 Millisekunden die Transduktoren ihre eingestellte Spannung.verlieren (eingestellt durch die RUokstellungB- und Yormagnetisierungs-Ampe'rtwindungen) und der Stro« sinkt weiter ab. auf den stetigen vorgewählten durch die Linie 18 gezeigten Lichtbogenstrom. Dieser ist durch die Steuerung der Vormagnetisierung und/oder der Signale, die den Grad der stell ansteigenden Spannungs-/Stromwerte bestimmen, voreingestellt (was einen konstanten Lichtbogeristrom innerhalb bestimmter Grenzen der Bogenlänge zur Folg'e hat).

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Die Sten&rung der Abfallkerie ist gleichfalls möglich, und zwar in Abhängigkeit von den abfallenden Amperewindungsmahlen nach Ende des Kurzschlßes.

Andere Steuerungsmittel, v/ie Transistorverstärker, können an Stelle der Widerstände 60, 64 und 65 verwendet werden, um sehr schnelle und unabhängige Kompensation der Lichtbogenspannung und des Kurzschlußstromea bei verschiedenen Sohwelßbedingungen zu erreichen, die z.B. durch inderungen der Versorgungsspannung oder der Bogenlänge verursacht werden können.

Anstelle der Rückkopplungswicklung 58 kann in dem Ruckstell-Steuerkreis eine automatisch arbeitende Steuereinrichtung: vorgesehen werden, um den Kurz8Chlußstrtf*».unabhän£lg von der Lichtbogenepannung zu steuern.

Verbindet man die RUckktppluogswicklung 58 zur Unterstützung mit der Rückstellwicklung, so erhalten die Ausgangsgrößen eine abfallende odtr konstante Stromfora.

flg. 12 zeigt eine typische etatieche Stron-SpannunijB-IurTt für die Schaltung der Jig.5 mit einem lastwiderstand, und fig.14

zeigt eine typische Wellenform dee Zurzschlußstroaee·

Pig.6 zeigt die Ruckstellungßschaltung aug Jig·5 derart abgewandelt, daß eine höhere Steuerleistung erhalten wird. Dazu ist die Verwendung selbsterregfer Verstärker erforderlichund in dem gezeigten Beispiel werden Transduktoren mit Pluß-Rückstellung verwendet. Die Verstärkertransduktoren 77 steuern den Rucksteil-

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3trom in den Haupttransduktoren 52 und die Sch.eißauegangsspannung. Die Zeichnung, die nur den Rückstellkreis enthält, enthält Verstärker 77 mit Hilfsarbeitswickluntfen 78, und HiIfB-RÜckstellwicklungen 79, Hilfs-Rückstellgleichrichter 80, Hilfe-Steuerwiderstände oder äußere Steuerkreise 81 und eine Hilf8-Rückstellwicklung 76 deo Transformators, Dieser Stromkreis enthält eine zweistufige Kontrolle und obwohl der Uewinn an Steuerleistung sehr erhöht ist, bleibt die Einetellassit geringer als ein. Zykluo der Stromrersorgungafroquenz,

Die Rückkopplungswicklungen 58 der Transduktor en 52, die in

Pig,6 gezeigt sind, können mit Verstärkern 77 vertauscht werden,

wodurch ähnliche Ergebnisse wie mit der 7ertau3chung der Wicklungen 58 in fig.5 erreicht werden·

Die Flußdicht· in den Hilfβtransduktoren 77 hängt von der Amperewindungiaahl der Rücketellwicklungen 70 sowie jeder weiteren Tormagnetieierungflwioklung auf diesen Traneduktoren ab (die nicht dargestellt sind)» Wird die Amperewindungszahl der Rückstellwicklung 79 erhöht, bo sttigt auch die Flufidichte in den Hilfstransduktortn 77 und dit Spannung an den Wicklungen 78 an. Der Haupt-RückottIlstro« der Hmupttraneduktoren 52 wird daher abnehmen, wodurch auch dit FluSdichte der lerne Terringert, die AusgangBgleichepannung aber erhöht wird. Die gezeigten Transduktoren 77 arbeiten gMchfalls mit PlußrUcksteilung), dahtr kann

eine Steuerung des Haupt-Rückstellstromes innerhalb einer Halbwelle und die Steuerung der AusgangegMchspannung innerhalb einer ganzen Periode erfolgen.

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Wird die Gleichstromrückkopplung durch die HilfstranBformatoren 77 ßtatt durch die Haupttraxieformatoren 52 gewonnen, und bo eingerichtet, daß die Wirkung der Amperewindungen der Hilfsrücketellwlcklungen 79 unterstützt wird, bo verringern im Moment dee Xuri-Bchlußes die Hilfetransduktoren den Hauptrückstelletrom innerhalb von 6 Millisekunden und erhöhen den Ausgangegleichetrom um einen Betrag, der von der Steuerwicklung des Haupttransduktors in deijiiächsten 6 Millisekunden abhiingt,

Fig.7 zeigt eine andere Art der Verbindung der Rückkopplungsepulen 58 der Transduktcren 52 "bei Terwendung der Schaltungen aus Fig.5 und yig,6. Zu Beginn des lurzechlußes erlauben die beiden "geaifcideten" Transduktoreii (imren Flußdichte ausreichend eur Lieferung des gewählten lichtbogenetromee war) einen kleinen Anstieg des Kuxzschlußstromee, der eine tuaätzllche Verringerung der Plußdiohte verursacht, da die RUekkopplungaspule der Rückstellspule entgegen arbeitet.

Während de.r ersten 6 Millisekunden wird die Rückkopplung· spule au ob, Über einen der gezündeten Zweige mit dta nächsten zu sünde&den Zweig des Transduktors verbunden, bo daß sie diesen einen Zweig sättigt, und daher verliert dieeer Transduktor während der nächsten 6 KiIIi-. Sekunden minimal an Spannung, und es erfolgt ein schneller Stromanstieg. Falle erwünscht, kann man auch eine Verzögerung versehen, wie vorher beschrieben.

Fig.θ seigt die in FIg.3 gezeigte Schaltung in einer anderen praktischen Ausführungsfonn, bei der der Strom während der Lichtbogen periode und die OrBBe und Wellenform des IursechluBetroees unabhängig voneinander durch eine Schaltung geregelt werden. Biese besteht aus einem Dreiphasentransformator 110 und einem Dreiphaeen-BrUckengleichrlchtsr, der aus drei Thyristoren 111 (genteuerte

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Gleichrichter) für die positive Halbwelle der Brücke und aus drei Gleichrichtern oder Thyristoren 111 in der negativen HaIbwelle der Brücke besteht.

Das Prinzip der Phasenverschiebung der Zündwinkel der Thyristoren Bur Kontrolle der Gleichspannung ist bekannt, und in Fig.8 ist ein Beispiel für die Anwendung von Thyristoren gezeigt, die durch Phasenschiebung oder Impulsgeneratorcchaltungen gesteuert werden. Ein magnetischer Phasenschieber-Zündstromkreis besteht aus kleinen Transduktoren mit Flußrückstellung, deren Arbeitswicklungen auf die gesteuerten Gleichrichter arbeiten. Äußere Steuerkreise zur Steuerung des Schveißvorganges unter sich, ändernden Bedingungen können in den drei Rücke teil- und Yormagnetisierungsstroaücreisen zusätzlich angeordnet werden.

Die Schaltung besteht im wesentlichen aus dem Haupttransformator 110, den Thyristoren 111 und den Transduktoren 112, die idLt Flußrückstellung und Phasenverschiebung zur Zündung dienen. Die Transduktoren haben jeweils eine Lastwicklung (Steuerschaltung der Thyristoren) 113» eine Rücketellwicklung 114, eine TorSpannungswicklung 116, und augeordnete Gleichrichter 126, sowie Widerstände 124, 120 und 125 zur entsprechenden Steuerung. Die Ztindtransduktoren werden von Hilfstransformatoren 119 gespeist, von denen jeder eine Primärwicklung 121, eine Steuerwicklung 123 und eine Rucks tellwicklung 127 atlW«ist. Die Primärseiten der Hilfe%ransformatoren können alt der Sekundärst*! te des Transformators 110 oder direkt mit dem Hetz verbunden werde»

Sie Etickkopplungswicklung 118 kann durch eine äußere automat!echt Steuerschaltung, wie einen in dem UttcfcstellStromkreis der Zlad-Transduktoren arbeitenden Transistorverstärker ersetzt werden, so _t

Soff 84/8771 bad original

daß bei Eintreten des Kurzschlußee durch die Elektrode der Rückstellstrom erniedrigt wird. Dadurch werden der Zündwinkel der Thyristoren und der Kurzschlußstrom vergrößert. Der VorniagnetisieruneS-widerotand 125 und der Rückstellungssteuerwiderstand 120 kiSniien durch äußere automatische Steuerschaltungen ersetzt werden, um Xnderungen der Schweißung oder der Stromversorgung zu kompensieren«

Die Arbeitsweise 4er steuernden Flußrückstelltransduktoren 112 ist ähnlich wie bereits beschrieben. Die Arbeltswicklungen der Transduktoren 113 steuern die Steuerelektroden der Siliziumgleichrichter (Thyristoren) an, wobei der Strom zu den Steuerelektroden durch Widerstände 124 begrenzt wird. Die Wellenform der Ausgangespannung der Steuerwicklungen 113 i3t generell wie in Pig.9 gezeigt.

Die maximale Plußdlchte im Transduktor wird entsprechend demWinkel ß gewühlt, was eint Verzögerung der Zündung des Thyristors entsprechend einer miniealen Ausgangsgleichspannung bedeutet. Die minimale yiußdichte in den Transduktoren wird so gewählt, daß sie dem Winkel ·*. entspricht. Auf diese Weise wird der Zündwinkel des Thyristors voll vorverschoben, entsprechend dem Maximalwert der Ausgangsgleichspannung.

Daher wird die Arbeitsweise bei Lichtbogen und bei Xuviscliluß durch diese Traneduktoren gesteuert, die wiederum die Züsn&wlnkel dear Thyristoren und damit die Ausgangsgleichspannung des Lichtbogens sowie den Kurζschlußstrom steuern, wie oben beschrieben wurde.

Pig.10 aeigt eine praktisch ausgeführte Schaltung, die nach dem in Fig.4 gezeigten Prinzip arbeitet. Sie besteht aus einer parallelen Anordnung.zweier Schaltungen, jedoch kann .auch eine Reihenschaltung

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zweier Schaltungen verwendet werden. Diese Schaltung ermöglicht eine

Steuerung

des Lichtbogenstromes

des Kurzschlußstromes -

der Zeit, während derer der Stromimpuls angelegt wird

der anfänglichen Anstiegsgeschwindigkeit- des Kurzschlußstromes„.___

der Wellenform und Größe des Stromimpulses.

Der Stromimpulekreis 128 arbeitet ähnlich wie der in TLg,5 gezeigte und beschriebene Xreis. Die Schaltungen können ein- oder mehrphasig ausgeführt sein, jedoch lab die Rückkopplungswicklung 138 der Impulseinrichtung im Gesamtstrompfad angeordnet, so daß die Wellenform dee Stromimpuises ganz oder teilweise durch den gesamten Xurzschlußstroa bestimmt ist. Der Stromimpuls ist wirkungslos oder fast wirkungslos
während der Lichtbogenperiode, da sich die maximale Spannung der Transduktoren 123 während dieser Periode verringert. Die Steuerung der
Zeit,zu der der Stromimpuls erscheint, wird durch die Steuerurigswicklungen 142 über Gleichrichter 143 und den Stellwiderstand 144 mit einer Einstellzeit in der SröSensordnung von Millisekunden erreicht. Der
Stellwiderstand 144 kann durch eine automatische Steuereinrichtung zur automatischen Sinatellung der Impulsaeit ersetzt warden. Die Yormagnetieierungevicklung 136 kam: wie geeeigt über den ¥ider0tand 145 *a di« AusgangBSpanmmg aiig8 3Chlosaön wurden, so daß während der Lichtbogenperlodc »in sehr geringer Vorspannungsstroai fließt, wodurch die Aus-. gengBBpanxiung während der Lichtbogtüperiode weiter vom Impuls strom-.,: krais begrenst wird, während bei lureschluö dv*rch den Elektrodendr&ht die Vormagntttislerung ansteigt und weiter die Terkürzung der Einetelleeit unterstützt. Da die Schaltung bei diesem Anstieg der 7ormagnetieitrung eine selbstausgleichende Wirkung hat, erniedrigt 4er Strom·
die-effektive Rücketellungs-AmperewindungBzahl, so daß die Wirkung

additiv ist. , ^C0PY

BAD ORIGINAL
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In Fig. 1.5 ist eine typische Wellenform des Kurz Schluß stromes dieser Einrichtung gezeigt.

Der Stromkreis 129 zur Lieferung des Lichtbogenstromes bestimmt auch den Anfangestrom und die Wellenform bei Kurzschluß durch den Elektrodendraht. Die statischen Ausgangsgrößen dieser speziellen Schaltung sind am besten, wenn sie einen abfallenden oder konstan^ten Strom aufweist. Wird bei offenem Stromkreis eine hohe Spannung erreicht, so "bleibt die Spannung konstant oder fällt langsam ab bis zu einem voreingestellten Wert, und dann fällt sie vollständig ab bis zur Lichtbogen Spannung, die für den voreingcstellten konstanten S'crom erforderlich ist.

Der Lichtbocenstrom kann verschiedene Formen aufweisen unü durch verschiedene "Verfahren gesteuert werden. Dae in Pig.10 gezeigte Beispiel verwendet eine der Stromimpulsschaltung ähnliche Schaltung, je,dooh mit einer höheren Leerlaufspannung» Die Kennlinie für konstanten Strom wird durch eine derartige Verbindung der Rückkopplungewicklung erreicht, daß die Rüoketell-Amperewindungezahl unterstützt wird, wenn während der Lichtbogenperiode ein SJtros fließt· Während der ersten Halbwollen des Speisestromes wird eine gesteuerte Steigerung des JCorzschlußstromes von einer Größe geliefert, die den ausgewählten Lichtbogens tromen proportional ist, eo daß die Kombination der Schaltungen, die den Lichtbogenetrom und den Impulsstrom liefert, eine gesteuerte Tolge von Stromwellenformen ergibt, 4ie für die beim Schv/eißen verlangt« Tropfengeschwindigkeit und die Schweißtiefe erforderlich sind. Die Haupt- und Hilfewicklungen der Schaltungen, die den Impulestrom oad den Lichfßogenßtrom liefern, können von ein- und demselben Transformator gespeist werden. .

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Die Arbeitsweise der Schaltung gemäß Fig.10 wird nun mit Bezugnahme auf ?ig.11 beschrieben.

Im Moment des Kurzschluss hat die Spannung anfangs einen eingestellten Wert, der τοη der Einstellung der Vormagnetisierung abhängig ist. Der Strom steigt am Anfang gemäß der Kurve 150 an, bis die Impulβeinrichtung 128 die Steuerung übernimmt. Der Strom steigt dann nach der Kurve 151 mit sehr hoher Geschwindigkeit bis zu einem Grenzwert an, der nur durch die Induktivität der Schaltung bestimmt ist, Beim Schmelzen der Elektrode nimmt der Strom stufenweise ab, während die Riflckopplungewicklung die Flußdichte in den zündenden Kernen zu erhöhen sucht. Auf diese Weise wird während der ersten 6 Millisekunden der Ausgangsstrom erniedrigt, worauf in den nächsten 6 Millisekunden der Strom sehr schnell gemäß der Kurve 152 weiter abnimmt, deren Abfall von dem Verhältnis der Vormagnetislerungs- zu den Rückkopplungs-Amperewindungen abhängt, die gegeneinander arbeiten. Dieser Vorgang dauert bis zum Erreichen des vorgewählten Liehtbogenetromea 153 an. Die Wirkung dieses Vorganges ist eine gesteuerte "Steigerung" des Stronte während eines Jeden Kurxschlußee.

Die Liehtbogeneinrichtung liefert dann den größten Teil des Lichtbogenstromes und hält ihn weitgehend konstant, unabhängig von Änderungen der Lichtbogenlänge, des Lichtbogenwideretandes usw., wie die* auch aus der statischen Strom-Spammngs-Kennlinie (Pig· 13) hervorgeht. Dies zeigt, daß bei Leerlauf ein fester hoher Spannungewert zur RUeIrzündung des Lichtbogens erhältlich ist* worauf bei Zunahate dt β Stromes die Spannung mit immer schnelle* abnimmt, bis praktisch konstanter Strom erreicht ist, und swar ftr große Änderungen des iaetwid erstände θ bis herunter zu sehr geriete Werten. Der konstant» Stroa kann über einen halbwegs weiten Bereich durch die Steuerung der Rückstellung und/oder der Vormagnetisierung gewählt werden.

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Die gesaraten statischen Spannunss-Stromkemilinier. der in Pig. 10 gezeigten Schaltung; stellen die Summe der Kenn3.inien der Impuls einrichtung und der Lichtbogensinrichtun g der und sind in Fi^.13 gezeigÜ.

Ee wird eine hohe Rückzündungaspannung erreicht, die nach Anstieg des Stromes "biß zu.dem für den lichtbogen gewählten Wert bei konstantem Strom sehr scharf abfällt, bis .ein bestimmter Lastwideretand erreicht ist, dessen Einstellung von der Impulseinheit (durch den Stellwiderstand 140) abhängt, worauf eine konstante Spannungskennlinie bis herunter au einem gesteuerten Kurzschlußstrom erreicht wird. Eine typische Wellenform für diesen Kurzschlußstrom ist in Fig.16 gezeigt. ""■■.-' ** ■ .

Die konstante Spannung wird für einen viel größeren Wert des Laststromes beibehalten, als dies mit einer herkömmlichen Konstantspannungaquelle möglich wäre und im folgenden werden typische Figuren angegeben»

Für eine eingestellte Ieerlaufepannung von 16 ToIt liefert eine Stromquelle mitBoppelsehaltung bia zu 1200 Ampere bei SchweiÖkurzschluß (Dleaer Wert ist abhängig Ton der lxaximalen Spannung der Stromquelle), is können auch, größere Ströme erreicht werden, und zwar durch den Aufwand einer empfindlicheren unif schnelleren Stromimpulseinrichtung, FUr StroaTersorgungsgträte mit konstanter Spannung liegt der maxiinalt Kuraschlußstrom beim Schweißen bei 300 bis 400 Ampere» BIe Einrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht «ine Steuerung der Tropfengeschwindigkeit oder der !frequenz des Werkstoff übergänge θ für eine vorgegebene ZufUhrungageschwindigkeit der Elektrode durch ein· der folgenden Maßnahmen oder deren Kombination;

a) Stromänderung während der Lichtbogenperiode, d.h. des Stro«*e zwischen sich wiederholenden Kurzschlüssen durch den Elektrodendraht, unabhängig vom Kurzschlußstrom wobei die „. »ΜΜ*/«77β:-

Λ²²"" 1540011

des Kurzsehiußstromes weitgehend konstant "bleibt.

b) Änderung der Höhe des Kurzschlufistromes unabhängig von seiner Anstiegszeit, wobei der Strom während der Iiichtbo-*enperiode konstant bleibt. ·

c) änderung der Entstehungszeit , der Sauer und der Wellenform des Kurzschlußstromes. Is können verschiedene Vellenformen angewendet werden. Torzuziehen sind: .

1. Ein anfänglich gesteuerter Stromanstieg, dem nach einer vorher bestimmten Zeit ein injizierter Stromimpuls ausgegewählten Höhe und form folgt.

2. Ein anfänglich gesteuerter Stromanstieg, dem nach einem vorher bestimmten Zeitraum ein sehr'schneller Stromanatleg folgt.

Obwohl lediglich ein XurzschluB-Iilohtbogen-SehweißTerfahren btaehri··· ben wurde» ist es möglich, jedgier in den figuren 5 bia 8 und 10 dar* gestellten Stromquellen im offentu Iiohtbogtn- Oder 1» Sprüh-Über- ;

tragungeb»reioh eu betrtlben. I

Durch die Haltewelleiiöteuajrang können die Iiichtbogenepaiinung und der · Lichtbogens tr om oszilliert, siimsföriaig oder rechfceekförmlg ge pul et oder durch äußere linrichtungeTa gepulst werden, in eins dfjs Schweißvorgiiiiges la Sprüh-^bertraguagagebiet oder im Sprüh-Übertragungsgtbiet· su erreiohen,*

Dies hat susätaliche- Steuerungsschalungen zur ?olge, jedoch "bleibt die Grundeinheit dleßelbe·

e liclitbogeneinrichtungi''12$_fc die im Hg. 10 dar gele 1*111 ist, hat die Sigjenschaft_;l?.,eine^ g|^ö^3;1^a^jalbwellön-Stro»anstieg au er-

BADORIGINAL

zeugen, der das Schmelzen der Elektrode so wie eine konstante (oder steil abfallende) Strom-Kennlinie ermöglicht und zur elektrischen lichtbogenschweißung verwendet werden kann.

Die'Schaltungen der Figuren 5 bis 8 und 10 sind für eine Vielzweck-Xichtbogenschweißinascnine verwendbar, da

a) ein pulsierender Strom

b) ansteigende Stromkennlinien

c) konstante Spanmtngskennlinien

d) eine gesteuerte statische Spannungs-Strom-Kurve bei Abtrennen der Rückkopplungswicklung und

e) abfallende (durchhängende) Kennlinien bei Viederanschaltung der Rückkopplungswicklung

möglich sind, wie gezeigt und beschrieben wurde.

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Claims (1)

1. P a t e η t a η s ρ r ü c h e

   1. Hinrichtung zur elektrischen Lichtbogenschweißung insbesondere mit Werkstoffübergang im Lichtbogen, in der Mittel zur Stromversorgung eines Schweißkopfes vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Stromversorgung (20,30) derart steuerbar sind,'daß mindestens eine der Kenngrößen des Kurschlußströmeβ oder des Lichtbogenstromes, z.B. die Stromänderungsgeechwlndigkeit oder die Stromstärke, gegenüber den anderen Kenngrößen bevorzugt geändert wird.

   2. Einrichtung zur elektrischen Lichtbogenschweißung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (22, 23, 24) vorgesehen sind, die Ale XenngrtHMB des Kurtachluöstroeee und des Lichtbogenitroaee unabhängig voneinander steuern·

   3· Einrichtung naoh Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dafl dit laderung der Kenngrößen in einer Änderung eines Teile* der Stroman·» etiegskurve (15#16) oder der Stromabfallkurve während des lurzschlußee oder während^ dee Lichtbogens besteht» welche unabhängig von dem restlichen Terlnuf der Stromkurve (18) ist,

   4. Einrichtung nach einemfter vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Stromversorgung Mittel (24) vorgesehen skid, die die Impedanz des Schweißstromkreises während eines Seiles des aas Kurzschlußperiode und Lichtbogenperiode bestehenden Schw*iß*yklue wahlweise ändern, wonach die Impedan« sehr sohntll wieder 6inen für dun restlichen feil de» Schweißayklue vorbestioaten Wert anniaet·

   5. linrichtung nach eines der vorhergehenden Anspruch«, dadurch gekenn» zeichnet, daß eine Steuereinrichtung rorgesehen ist, die abhängig vom Auftreten eines Kurzschluss an der Schweißettlle einen Zeitgeber sowie eine Impulsstromquelle derart steuert_t dal naoh einer

   tO0804/O??#

   ÖAD OBteiNAl.

   stimmten 2elt nach Auftreten des Eurzschlußes dem Schveißkopf ein Steuerimpuls zugefuhrt wird.

   6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein mit Elußrücksteilung arbeitender Transduktor vorgesehen ist, der eine die Flußdiehte im Transduktorkern in Abhängigkeit von der Schweißstromstärke steuernde Rückkopplungswicklung (58) aufweist, daß die Arbeitswicklung (53) des Transduktors derart geschaltet ist, daß sie den Schweißstrom während der Kurzschlußperiode bestimmt, was bei ansteigendem Schweißstrom während des Kurzschlußes eine maximale Ausgangsleistung der Arbeitswicklung (53) nach dem Kurzschluß zur Folge hat.

   7. linrichtung nach Anspruch 5 oder S₄ dadurch'*gektnnzei ohne t, daß der Transduktor eine mit Gleichstrom gespeiste Yormagnetisierungswicklung (56) aufweist, die zur Verzögerung der Sättigung des Transduktorkernee einstellbar angeordnet 1st.

   8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7$ dadurch gekennateiebnet, daß mehrere Tranaduktoren vorgesehen sind, deren Arbeitswicklungen (53) durch Verschiedene Phasen einer Hehrphasen-Stromquelle (50,6t) gespeiet werden, daß die Wicklungen (54) zur ilußrüokatellung eines jeden Transduktor« gegenüber der jeweiligen Arbeitswicklung (53)

   • gegenphaeig gespeiet werden, daß jeder Traneduktor mit einer weiteren Q₀ Wicklung versehen let, die mit der jeweiligen Rücketellwicklung in

   *· Reihe gescbltet und gleichphasig gespeist ist, und daß diese weitere

   JP Wicklung derart angeordnet ist, daß sie eine schnelle Inderung der o> Plußdichte in dem jeweiligen Transduktorkern um eine vorbestimmte Zeit verzögert.

   9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeioh|· net, daß die jeweilige Arbeitswicklung (53) durch die genannte Stromquelle (50, 61) gespeist wird und mit dem vom Schweißetrom gespeisten Schv/eißkopf in Reihe geschaltet ist.

   10. Einrichtung nach, einem der Ansprüche 6 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsleistung der jeweiligen Arbeitswicklung (53) während des ersten Teiles der lichtbogenperiode durch Einstellung der Amperewindungszahl mittels der jeweiligen Rucks, teil und der Vormagnetisierungswicklung (5.4 bzw, 56) eingeregelt wird.

   11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Arbeitswicklung den Steuereingang einea gesteuerten Gleichrichters speist, der zwischen der Schweißstromquelle und dem Schweißkopf angeoainet ist.

   12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogenstrom durch die Arbeitswieklungen weite%_r mit Flußrücksteilung arbeitender Transduktoren (77) geliefert wird, die durch, eine besondere Stromquelle (76) parallel mit der genannten ersten Stromquelle (61) gespeist werden.

   15. Anordnung nach einem der Anspiäiche 6 bis 10 oder nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Rückkopplungswicklung (56) in Reihe mit dem Schweißkopf geschaltet ist, wodurch die Wellenform des ImpulBstromes durch den gesamten Kurzschlußstrom bestimmt ist.

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