DE1565041C3 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Magnetfeld-Uchtbog enpreBschwe ißen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lichtbogen-Preß-Schweißen metallischer Werkstücke mit einem zwischen den Werkstückenden als Elektroden durch ein Magnetfeld bewegten Lichtbogen.

Verfahren zum Preßschweißen von Metallen mit einem Lichtbogen, der zwischen den Werkstücken durch ein Magnetfeld über die Stoßflächen getrieben wird, so daß diese gleichmäßig anschmelzen, sind bekannt Meistens werden auf diese Art Stumpfstöße von Rohren verschweißt, jedoch sind auch Stumpfstöße zwischen massiven Stäben — vorwiegend kreisförmigen, aber auch anderen Querschnitts — möglich. Gewöhnlich bilden die beiden Werkstücke Anode und Kathode eines Gleichstromkreises. Über den Enden der Werkstücke sind Magnetspulen angebracht, die entweder elektrisch in Reihe mit den Werkstücken geschaltet sind oder in einem eigenen Stromkreis liegen. Das Magnetfeld der Spulen und das Magnetfeld um den Lichtbogen erzeugen eine resultierende Magnetkraft, die den Lichtbogen quer zu seiner Längsachse mit großer Geschwindigkeit verschiebt.

Infolge der unterschiedlichen Wärmeentwicklung an Anode und Kathode ergeben sich Schwierigkeiten beim Schweißen von Werkstücken gleichen Querschnittes. Durch Verwendung von Wechselstrom hat man sie zu vermeiden gesucht; es ist jedoch dann wesentlich schwieriger, einen stetigen Lichtbogenumlauf und damit eine gleichbleibende Erhitzung auf dem Verlauf der gesamten Schweißzone zu erzielen.

Es ist weiterhin schon bekannt gewesen, daß sich beim Schweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen zwei Verfahrensabschnitte unterscheiden lassen und daß die Steuerung des Schweißstromes nach einem bestimmten Programm in gewissen Fällen vorteilhaft sein kann. So muß zu Beginn des Schweißvorganges, nachdem der Lichtbogen durch Berühren und Auseinanderziehen der unter Spannung stehenden Werkstücke gezündet wurde, eine geringe Schweißstromstärke eingehalten werden, damit sich keine Blasen oder Krater auf den Stoßflächen bilden — und zwar so lange, bis das durch die Spulen erzeugte magnetische Feld den Lichtbogen in vollen Umlauf versetzt hat. Mit wachsender Bewegungsgeschwindigkeit des Bogens kann man die Intensität des Schweißstromes steigern und somit die Enden der zu verschweißenden Werkstücke schnell auf die erforderliche Schmiedetemperatur bringen.

Jedoch ist allein die Berücksichtigung dieser zwei Verfahrensabschnitte zu grob und nicht ausreichend, um während des gesamten Schweißvorganges an den Werkstücken, die auch ungleiche Querschnitte aufweisen können, eine zum ordnungsgemäßen Schweißen erforderliche Wärmeentwicklung zu erzielen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die Wärmeentwicklung an den Werkstücken so zu steuern, daß sowohl gleiche wie ungleiche Werkstücke miteinander einwandfrei verschweißt werden können.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Lichtbogenstrom in Impulsen wechselnder Polarität der Schweißstelle zugeführt und der Magnetstrom synchron zum oder unabhängig vom Lichtbogenstrom gesteuert wird, daß die Breite der Stromimpulse jeder Polarität so bemessen wird, daß die Werkstückenden gleichzeitig auf Schweißtemperatur gebracht werden, daß die Lichtbogenstrom-Amplituden bei der Berührungszündung von Null auf einen Wert erhöht werden, bei dem sich noch keine Schweißkrater bilden, daß, nachdem der Lichtbogen in eine umlaufende Bewegung versetzt und stabilisiert ist, die Lichtbogenstrom-Amplituden bei gleichbleibendem Werkstückabstand auf einen solchen Wert erhöht werden, daß die Werkstückenden noch ohne Spritzer anschmelzen, und daß nach Erreichen der Schweißtemperatur und beim Zusammenfügen der Werkstücke die Schweißstrom-Amplituden kurzzeitig auf einen Wert erhöht werden, der trotz verminderten Widerstandes der Schweißstelle ausreichend Wärme zum Nachglühen liefert.

Eine zweckmäßige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Magnetstrom während der Zündungs- und Beschleunigungsphase des Lichtbogens auf einem höheren Wert und nach Stabilisierung des Lichtbogens in der Schweißphase auf 35-einem niedrigeren Wert gehalten wird.

Für die Erfindung ist weiter kennzeichnend, daß bei einer zur Verbindungsebene symmetrischen Massenverteilung der Werkstückenden die Breiten der Impulse jeder Polarität gleich bemessen werden.

Kennzeichnend für die Erfindung ist auch, daß bei einer zur Verbindungsebene unsymmetrischen Massenverteilung der Werkstückenden die Breiten der Impulse jeder Polarität unterschiedlich bemessen werden.

Eine vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke und die Magnetspulen in Reihe an einen Impulsgenerator angeschlossen sind, dessen Eingangsstrom durch ein Programmsteuergerät über Transduktoren steuerbar ist und daß eine Vorschubeinrichtung für die Werkstücke vorgesehen ist, deren Bewegung über ein Elektromagnetventil ebenfalls durch das Programmsteuergerät steuerbar ist

Die Zeichnung gibt eine Reihe von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäß ausgebildeten Schaltungsanordnungen mit den zugehörigen Strom- und Bewegungsdiagrammen wieder.

Im einzelnen zeigt

F i g. 1 eine erste vereinfachte Ausführungsform einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildeten Schaltungsanordnung,

F i g. 2 den effektiven Lichtbogenstrom und die gegenseitigen Abstände der Schweißstücke in Abhängigkeit von der Zeit,

F i g. 3 eine weitere Ausführungsform einer Schaltan-Ordnung,

Fig.4 den zeitlichen Verlauf des Stromes in der Schaltanordnung F i g. 3,

Fig.5 eine Ausführungsform einer Schaltanordnung mit besonderen Lichtbogen- und Magnet-Stromkreisen,

Fig.6 den effektiven Lichtbogenstrom, den effektiven Magnetstrom sowie den Abstand der Schweißstükke über der Zeit in einer Schaltanordnung nach F i g. 5,

Fig.7 eine vierte Ausführungsform einer Schaltanordnung,

Fig.8 den zweiten Verlauf des Stromes in der Schaltanordnung nach F i g. 7.

Eine nach F i g. 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Schweißmaschine weist das dreiphasige Netz 1 auf, das einen Schweißtransformator 2 speist, dessen Sekundärwicklung durch Leiter 3 mit dem Impulsgenerator 5 verbunden ist.

Der am Generatorausgang erzeugte Gleichstrom fließt Ober den Leiter 6, die Spule 8, das Schweißstück 20, die Schweißstelle 69, das Schweißstück 21, die Spule 9 und den Leiter 7 — oder umgekehrt, je nach Polung.

Die Spulen 8,9 sind jeweils in gleicher Weise in bezug auf die Schweißstücke 20, 21 so angeordnet, daß ihr Magnetfeld zusammen mit dem Magnetfeld des Lichtbogens eine resultierende Kraft ergibt, die den Lichtbogen an der Peripherie der Werkstücke in einen stetigen Umlauf versetzt

Die in F i g. 1 veranschaulichte Schaltungsanordnung weist ein Programmsteuefungsgerät 22 beliebiger Ausführung auf, das elektronisch oder elektromagnetisch eine bestimmte Folge von Steuerungsimpulsen und -vorgängen auslöst und zu einem genau bestimmten Schweißzyklus, der den verschiedenartigen Faktoren, die die Qualität der Schweißung beeinflussen, Rechnung trägt

Das Programmsteuergerät 22 steuert einerseits über gleichstromvormagnetisierte Drosseln (Transduktoren) 4 die Stromstärke im Netz 3 und demgemäß die Stärke des bei 69 gebildeten Lichtbogens sowie des durch die Spulen 8, 9 erzeugten, den Umlauf des Lichtbogens bewirkenden magnetischen Feldes.

Andererseits ist das Programmsteuergerät 22 mittels elektrischer Leiter 26 mit einem elektrogesteuerten Ventil 25 so verbunden, daß ein Arbeitsmittel unter Druck auf die eine oder andere Stirnfläche eines Kolbens 24i im Zylinder 24 wirkt. Die Kolbenstange 242 des Kolbens 24i ist mittels des zweiarmigen, bei 661 gelagerten Hebels mit Schrumpfringen, Klemmflanschen, KJemmschellen od. dgl. 67 auf dem Schweißstück 20 verbunden.

Das Schweißstück 20, das meistens ein Rohr ist, läuft auf Walzen, Rädern oder Rollen 68, die eine axiale Verschiebung des Schweißstückes 20 unter Annäherung oder Entfernung vom zweiten Schweißstück 21 ermöglichen.

Das gleichzeitig auf die Stromstärke des elektrischen Lichtbogens und des magnetischen Feldes sowie auf die Verlagerung der Schweißstücke einwirkende Programmsteuergerät muß demgemäß so ausgebildet sein, daß eine automatische Programmfolge der Steuerphasen, so, wie sie in F i g. 2 dargestellt sind, entsteht.

In dem Diagramm der F i g. 2 sind die zeitlichen Verfahrensabschnitte als Abszissen dargestellt, während die hiervon abhängigen Lichtbogenstromstärken und Spaltweiten als Ordinaten wiedergegeben sind. Kurve 10 zeigt die Abstandsveränderungen der beiden Schweißstücke 20, 21 während der Schweißung und Kurve 12 stellt die Stromstärkenveränderung der durch den Impulsgenerator 5 erzeugten Gleichstromschübe dar.

Im Zeitpunkt Null (0) berühren sich beide Schweiß-

stücke und die Lichtbogenstromstärke ist gleichfalls Null (0). Zu Beginn der Schweißung bewirkt das Programmsteuerungsgerät 22 zunächst den Stromfluß zwischen den beiden Schweißstücken und bestimmt seine Stärke, weiter beeinflußt es das Ventil 25. s

Die Schweißstücke 20,21 entfernen sich voneinander, so daß zwischen ihnen der Lichtbogen gezogen wird. Die Stromstärke wird aber zwischen den Zeitpunkten 13 und 14 auf die Größe 31 begrenzt; um eine Schweißblasen- und/oder -kraterbildung auf dem einen oder anderen Schweißstück so lange zu verhindern, bis das durch die Spulen 8,9 erzeugte magnetische Feld den elektrischen Lichtbogen in Umlauf versetzt hat. Von diesem Zeitpunkt ab kann die Lichtbogenstärke zwischen den Zeitpunkten 14 und 15 auf den Wert 32 gebracht werden; anschließend wird der Schweißvorgang zwecks Erzielung der Schweißhitze mit der gleichen Stromstärke 32 zwischen den Zeitpunkten 15 und 16 fortgesetzt.

Sobald die Stoßflächen der Werkstücke die Schweißtemperatur im Zeitpunkt 16 erreicht haben, wirkt das Programmsteuergerät 22 auf das Ventil 25 so ein, daß das gespannte Druckmittel auf den Kolben 24 zur Wirkung kommt, so daß eine Annäherung des Schweißstückes 20 an das Schweißstück 21 einsetzt. In dem Zeitpunkt, von dem ab das Programmsteuergerät 22 die Annäherung der Schweißstücke 20, 21 bewirkt, wirkt es auch auf die Transduktoren 4 ein; die Lichtbogenstromstärke wird zwischen den Zeitpunkten 17 und 18 auf den Wert 33 erhöht, um auf diese Weise die sich aus der Annäherung der Schweißstücke ergebende Reduzierung der Lichtbogenstromstärke auszugleichen. Sobald sich die Schweißstücke im Zeitpunkt 17 gegenseitig berühren, schaltet das Programmsteuerüngsgerät 22 entweder unmittelbar oder nach einer bestimmten Zeitspanne den Schweißstrom im Zeitpunkt 18 ab.

Zur Vereinfachung des Ausführungsbeispiels wurde diesem ein stark vereinfachtes Bewegungsablaufgesetz zugrunde gelegt. Das Bewegungsablaufgesetz kann jedoch wesentlich verwickelter sein. So ist es ohne weiteres möglich, den verschiedenartigsten Einflußgrößen, wie Beschaffenheit des Werkstückes, Form, Querschnitt der Schweißstücke, den verschiedenartigsten Werkstoffen usw. Rechnung zu tragen.

Es ist darauf hinzuweisen, daß der Lichtbogenstrom vorzugsweise in Form von Impulsen verlaufen soll, wobei jeweils sehr kurze Impulsbreiten zu verwirklichen sind, um an beiden Schweißstücken gleichbleibende bzw. äquivalente Erhitzungen zu erzeugen und den Umlauf des Lichtbogens gleichförmig zu gestalten.

F i g. 4 zeigt den in Betracht kommenden Verlauf des Lichtbogenstromes, wobei die Umhüllende mit der Kurvenform 12 der F i g. 2 übereinstimmt. Die Impulsbreiten sind mit 63,64 bezeichnet.

Die Frequenz der schematisch veranschaulichten Richtungswechsel der Gleichstromschübe kann ebenfalls veränderlich ausgebildet werden, so daß es möglich wird, die jeweils in Betracht kommende, optimale Frequenz einzustellen. Auch hierzu vermag das Programmsteuerungsgerät 22 zu dienen, so daß beispielsweise auch während eines Schweißvorganges selbst die Frequenz den jeweiligen Gegebenheiten entsprechend eingestellt werden kann. F i g. 3 zeigt, in welcher Weise dabei vorzugehen ist. Es sind zwei Impulsgeneratoren 41, 42 nach dem Schaltbild der Fig.3 angeordnet und mit den Spulen 8, 9 auf den beiden Schweißstücken 20,21 verbunden. Beide über die elektrischen Leiter 1 dreiphasig gespeisten Impulsgeneratoren sind wieder dem Einfluß des Programmsteuergerätes 22 unterworfen, das sie wechselweise mit der jeweils ausgewählten Frequenz in Betrieb setzt und dem Lichtbogenstrom den jeweils benötigten oder bestimmten Größenwert gibt. Dies wird besonders einfach durch Verwendung von Silizium- oder Gas-Thyratronen oder anderen, bekannten Schaltungselementen erreicht.

Der Strom zur Erzeugung des magnetischen Feldes und zum Speisen des Lichtbogens weist beispielsweise den in F i g. 4 dargestellten Verlauf auf. Die Fließzeiten annähernd gleichbleibender Stromstärke in jeweils einer Richtung (Impulsbreiten) sind mit 63 bzw. 64 bezeichnet.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 1 und 3 sind die das magnetische Feld erzeugenden Spulen in Reihe mit den beiden Schweißstücken, zwischen denen der elektrische Lichtbogen steht, geschaltet. Man kann jedoch auch die Schweißmaschine so ausbilden, daß die Spulen von einer besonderen Stromquelle aus gespeist werden. Der Vorteil einer derartigen Ausführungsform besteht darin, daß die Ströme zur Erzeugung des elektrischen Lichtbogens und des magnetischen Feldes unabhängig voneinander gesteuert werden können.

In Fig.5 ist eine entsprechende Schaltanordnung gezeigt. In diesem Fall weist die Stromversorgung einen mit einem Impulsgenerator 55 verbundenen Zusatztransformator auf. Die Transduktoren 54 sind in die Leitungen 53 eingeschaltet, die den Transformator 52 mit dem Impulsgenrator 55 verbinden. Die Transduktoren 54 sind ebenfalls mittels des Programmsteuerungsgerätes 22 gesteuert, und der im Impulsgenrator 55 erzeugte Strom wird den in Reihe angeordneten Spulen 8,9 zugeführt. Andererseits ist der Impulsgenrator 5 mit den Schweißstücken 20, 21 unmittelbar über die Leitungen 7 verbunden.

Fig.6 zeigt das Arbeitsdiagramm einer derartigen Schaltanordnung. Außer den Kurven 10, 12, die die gegenseitige Verlagerung der Schweißstücke im Verhältnis zueinander sowie die Veränderungen der Lichtbogenstromstärke zeigen, ist eine dritte Kurve 56 veranschaulicht, die die Stromveränderungen in den Spulen 8, 9 darstellt. Dieser dritten Kurve 56 ist zu entnehmen, daß die Stromstärke in den Spulen 8, 9 zwischen den Zeitpunkten 0 und 14, d. h. zu Beginn der Schweißung, höher als während des eigentlichen Schweißvorganges ist, um die Größe des magnetischen Feldes zu steigern und dadurch den Umlauf des elektrischen Lichtbogens bei Beginn der Lichtbogenbildung rasch zu beschleunigen, wodurch in Verbindung mit einer Reduzierung der Stromstärke im Zeitpunkt der Zündung des Lichtbogens eine Schweißkraterbildung vermieden wird.

Die Unabhängigkeit der Steuerung des magnetischen Feldes und des Lichtbogenstromes ermöglicht im übrigen sowohl die Beschleunigung wie die Verlangsamung des Lichtbogenumlaufes während des Schweißvorganges.

Die Schaltanordnung nach F i g. 7 entspricht derjenigen in Fig.3 mit dem Unterschied, daß zwei Impulsgeneratoren 61 und 62 hinzugekommen sind, die durch das Programmsteuerungsgerät 22 beeinflußt und mit den Spulen 8, 9 verbunden sind, während die Impulsgenratoren 41,42 mit den Schweißstücken 20,21 in Verbindung stehen. Da die Teilgeneratoren 41,42 und 61, 62 mittels des Programmsteuerungsgerätes 22 miteinander verbunden sind, ist es möglich, gleichzeitig Stromumkehrungen im Lichtbogen und in den Spulen

durchzuführen, die Gleichsinnigkeit des Lichtbogenumlaufes während der Zeitspanne seines Auftretens zu erreichen und für eine gleichartige und gleichbleibende Erhitzung der beiden Schweißstücke zu sorgen. Darüber hinaus ermöglicht die Schaltung nach F i g. 7 infolge der Unabhängigkeit der Gleichrichter 41, 42, 61, 62 eine getrennte Steuerung der Lichtbogen- und Spulenströme. Außerdem ist zu beachten, daß der durch das Programmsteuerungsgerät 22 bestimmte, schubweise fließende Strom positive und negative Stromumkehrungen bzw. -wechsel gleicher Amplitudenbreite 63, 64 in

Fig.4 aufweisen kann. Dieser Stromvcrlauf ist von besonderem Vorteil bei der Schweißung unter sich symmetrisch ausgebildeter Werkstücke. Ist dies aber nicht der Fall, so kann die Entwicklung einseitig größerer Wärmemengen an einem der Schweißstücke erreicht werden, damit beide Schweißstücke gleiche oder annähernd gleiche Schweißhitzc annehmen. Das ist durch Eingriff in das Programmstcuerungsglicd in der Weise möglich, daß beispielsweise die positiven

ίο Impulsbreiten 65 in F i g. 8 langer ausgebildet werden als die negativen Impulsbreiten 64.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

609 541/166

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Lichtbogen-Preßschweißen metallischer Werkstücke mit einem zwischen den Werkstückenden als Elektroden durch ein Magnetfeld bewegten Lichtbogen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Lichtbogenstrom in Impulsen wechselnder Polarität der Schweißstelle zugeführt und der Magnetstrom synchron zum oder unabhängig vom Lichtbogenstrom gesteuert wird;

b) die Breite (63, 64; 65, 66) der Stromimpulse jeder Polarität so bemessen wird, daß die Werkstückenden (20, 21) gleichzeitig auf Schweißtemperatur gebracht werden;

c) die Lichtbogenstrom-Amplituden (12) bei der Berührungszündung von Null auf einen Wert (31) erhöht werden, bei dem sich noch keine Schweißkrater bilden;

d) nachdem der Lichtbogen in eine umlaufende Bewegung versetzt und stabilisiert ist, die Lichtbogenstrom-Amplituden bei gleichbleibendem Werkstückabstand (10) auf einen solchen Wert (32) erhöht werden, daß die Werkstückenden noch ohne Spritzer anschmelzen;

e) nach Erreichen der Schweißtemperatur und beim Zusammenfügen der Werkstücke die Schweißstrom-Amplituden kurzzeitig auf einen Wert (33) erhöht werden, der trotz verminderten Widerstandes der Schweißstelle ausreichend Wärme zum Nachglühen liefert (F i g. 2).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetstrom (56) während der Zündungs- und Beschleunigungsphase (0—14) des Lichtbogens auf einem höheren Wert und nach Stabilisierung des Lichtbogens in der Schweißphase (15 — 17) auf einem niedrigeren Wert gehalten wird (F ig. 6).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer zur Verbindungsebene symmetrischen Massenverteilung der Werkstückenden (20,21) die Breiten der Impulse jeder Polarität (63,64) gleich bemessen werden (F i g. 4).

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer zur Verbindungsebene unsymmetrischen Massenverteilung der Werkstückenden die Breiten der Impulse jeder Polarität (65,66) unterschiedlich bemessen werden (Fig. 8).

5. Schaltungsanordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke (20,21) und die Magnetspulen (8, 9) in Reihe an einen Impulsgenerator (5) angeschlossen sind, dessen Eingangsstrom durch ein Programmsteuergerät (22) über Transduktoren (4) steuerbar ist, und daß eine Vorschubeinrichtung (24) für die Werkstücke vorgesehen ist, deren Bewegung über ein Elektromagnetventil (25) ebenfalls durch das Programmsteuergerät steuerbar ist (F i g. 1,2,3).

6. Abwandlung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator aus zwei Teilgeneratoren (41, 42) gebildet ist, die Impulse je einer Polarität, aber unterschiedlicher Breite, bei gleicher Frequenz erzeugen, und die von dem Programmsteuergerät wechselweise an den Schweißstromkreis schaltbar

sind (F ig. 3,8).

7. Abwandlung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke (20, 21) und die Magnetspulen (8,9) an jeweils einen eigenen, jedoch zueinander synchron von dem Programmsteuergerät (22) steuerbaren Impulsgenerator (5 bzw. 55) angeschlossen sind (F ig. 5).

8. Abwandlung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsgeneratoren für den Werkstückanschluß und für den Magnetspulenanschluß aus jeweils zwei durch das Programmsteuergerät wechselweise einschaltbaren Teilgeneratoren (41, 42 bzw. 61, 62) gemäß Anspruch 6 gebildet sind (F i g. 7).