DE1615363A1

DE1615363A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Stabilisieren und Zuenden von Schweisslichtboegen

Info

Publication number: DE1615363A1
Application number: DE19671615363
Authority: DE
Inventors: Max Gillitzer; Franz Tajbl
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1967-07-04
Filing date: 1967-07-04
Publication date: 1970-05-21
Also published as: NL6809458A; CH475820A; DE1615363B2; DE1615363C3; AT294258B; FR1571739A; BE717427A; NL159315B

Description

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^(H379) »β7/043

Sm/hf 50.6.1967

Verfahren und "Vorrichtung zum Stabilisieren und Zünden.von

Schweißlichtbögen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stabilisieren eines Wechselstromschweißlichtbogens und zum Zünden eines Wechsel- oder Gleichstromschweißlichtbogens mit Hilfe von Stromimpulsen, die zwischen Elektrode und Werkstück übergehen und die durch eine stoßartige Entladung eines Ladekondensators erzeugt werden.

Es ist bekannt, beim Schweißen mit Wechselstrom eine Hochfrequenzspannung der Schweißspannung zu überlagern. Diese verhältnismäßig große zusätzliche Spannung tewLrkt ein sicheres Wiederzünden des Lichtbogens bei jedem Nulldurch-

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gang der Schweißwechselspannung und stabilisiert hierdurch den Lichtbogen. Daneben wird diese Hochfrequenzspannung bekanntlieh auch zum Zünden von Wechsel- oder Gleichstromschweißlichtbögen verwendet. Der besondere Vorteil eines derartigen Zündverfahrens ist darin zu sehen, daß die Elektrode dem Werkstück zum Zünden des Lichtbogens nur auf eine Entfernung von 2 bis 4 mm genähert zu werden braucht, ohne daß eine direkte Berührung erforderlich ist.

Derartige Hochfrequenzspannungen, die dem Lichtbogen , dauernd überlagert werden, rufen Punk- und Fernsehstörungen hervor, die oft über das behördlich zulässige Maß hinausgehen. Dieser Nachteil hat die Entwicklung von Verfahren begünstigt, bei denen zum Stabilisieren und Zünden von Schweißlichtbögen nur eine kleine Anzahl von Impulsen im jeweils richtigen Zeitpunkt zwischen Elektrode und Werkstück übergeht. Beim Schweißen mit Wechselstrom wurde beispielsweise durch eigens für diesen Zweck entwickelte Schaltungen erreicht, daß die Impulse jeweils in gleicher Anzahl unmittelbar nach dem Nulldurchgang der Schweißwechselspannung übergehen können (deutsche Patente 1 002 097 und 1 O61 006). Bei diesen bekannten Verfahren zum Stabilisieren und Zünden von Schweißlichtbögen v/erden Ladekondensatoren verwendet, die über ein als Funkenstrecke ausgebildetes Schaltelement stoßartig über Elektrode und Werkstück entladen werden. Die Impulse -haben hierbei stets die gleiche Polarität wie die folgende Halbwelle der Schweißwechselspannung. Die Energie für

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die Impulse wird bei diesen bekannten Verfahren dem SchweißStromkreis entnommen, da die zeitliche Steuerung der Impulse auf diese Weise am einfachsten zum zeitlichen Ablauf der Schweißspannung in Beziehung gesetzt werden kann.

Die zuletzt beschriebenen Verfahren zum Stabilisieren und Zünden von Schweißlichtbögen haben sich in der Praxis bewährt und genügen auch hinsichtlich der Punk- und Fernsehstörungen den behördlichen Vorschriften. Sie haben jedoch auch einige Nachteile, deren Beseitigung wünschenswert erscheint.

In erster Linie ist hierbei die Frage der Energieversorgung für die Erzeugung der Impulse von Bedeutung. Wie erwähnt, wird bei den bekannten Verfahren die Energie der Impulse dem Schweißstromkreis entzogen. Diese Verfahrensweise bringt störende Rückwirkungen auf den Schweißstromkreis mit sich und wird nur deshalb bisher in Kauf genommen, weil eine Kopplung mit dem Schweißstromkreis unbedingt erforderlich ist. Eine andere einfache Lösung für diese Kopplurtg ist bisher nicht bekannt.

Ein anderer Nachteil der bekannten Verfahren ist in dem ziemlich raschen Verschleiß der im Entladekreis des Ladekondensators verwendeten Funkenstrecken zu sehen, die stets der Belastung durch die gesamte Stromimpulsenergie ausgesetzt sind. Es ist deshalb notwendig, diese Bauelemente häufig nachzustellen oder auszuwechseln. Außerdem entsteht in den Funkenstrecken Ozon und salpetrige Säure, so daß die Metallteile des Gerätes vor Oxydation geschützt werden müssen. Weiterhin ist es erforderlich, die gesamte

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Schalteinheit, mit der die Impulse erzeugt werden, für die volle Leistung der Impulsströme auszulegen. Dies hat einen verhältnismäßig großen Aufwand und - zusammen mit dem Verschleiß der Schaltelemente - eine Verteuerung der zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Vorrichtungen zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Stabilisieren und Zünden von Schweißlichtbögen mit Hilfe von Stromimpulsen, die bei der stoßartigen Entladung eines Ladekondensators entstehen, zu entwickeln, bei dem bei hoher Lebensdauer der verwendeten Schaltelemente die Energieversorgung ohne Rückwirkung auf den Schweißstromkreis erfolgt.

Dieee Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Entladung des in einer Leistungseinheit liegenden Ladekondensators über einen steuerbaren Halbleiter erfolgt, der für jeden Stromimpuls für die Dauer von 0,8 bis 20, vorzugsweise 1 bis 10 Mikrosekunden für den Stromdurchgang geöffnet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich demnach von den bekannten Verfahren dieser Art im wesentlichen dadurch, daß die Erzeugung der leistungsstarken Stromimpulse, die zwischen Elektrode und Werkstück übergehen, in einer vom Schweißstromkreis unabhängigen Leistungseinheit erfolgt,während die leistungsschwachen Steuerimpulse, durch die die Stromimpulse zum richtigen •Zeitpunkt ausgelöst werden, in einer von der Leistungseinheit unabhängigen Steuereinheit erzeugt werden können. Einer der wesentlichsten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ist demnach

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darin zu sehen, daß die -Leistungseinheit an eine beliebige WechsaL-stromquelle angeschlossen werden kann und so, beispielsweise beim Stabilisieren eines Wechselstromlichtbogens, keine Beeinflussung des Schweißstromkreises durch das Stabilisierungs- und Zündgerät erf/olgen kann. Lediglich die Steuereinheit, in der die Steuerimpulse für den steuerbaren Halbleiter erzeugt werden, ist beim Wechselstromschweißen mit dem Schweißstromkreis verbunden, um eine Synchronisation zwischen dem Verlauf der Schweißwechselspannung und den Stromimpulsen herzustellen. Sie besitzt jedoch eine sehr kleine Leistung und beeinflußt aus diesem Grunde den ■ Schweißstromkreis nicht.

Der außerordentliche Vorteil, der hiermit verbunden ist, wird bei einem Vergleich der Leistungswerte der beiden Einheiten besonders deutlich. Beispielsweise können die Momentanleistungswerte der Leistungseinheit, die bei den bekannten Geräten dem Schweißstromkreis entzogen wurden, 30 kW betragen, während die Steuereinheit lediglich eine Leistung von 1 W aufweist. Aus diesem Grunde werden auch die Schweißeigenschaften von Schweißgeräten durch das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich verbessert. Die Dauer der. Stromimpulse wird erfindungsgemäß auf 0,8 bis 20, vorzugsweise 1 bis 10 Mikrosekunden eingestellt. Dieser Impulsbreitenbereich hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen.

Durch die Verwendung eines steuerbaren Halbleiters, der beispielsweise ein .Thyristor sein kann, für die Auslösung der

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Stromimpulse ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß für die Leistungseinheit der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine schnell verschleißbaren Bauelemente verwendet werden müssen. Der Steuerkreis, in dem die Steuerimpulse für die Öffnung des steuerbaren Halbleiters erzeugt werden, enthält ein spannungsabhängiges Schaltelement, das jedoch lediglich eine gegenüber der Leistung im Leistungskreis um einige Größenordnungen kleinere Leistung zu bewältigen hat. Als spannungsabhängiges Schaltelement kann deshalb beispielsweise eine Glimmröhre verwendet werden.

Bei Auftreten eines Steuerimpulses im Steuerkreis des steuerbaren Halbleiters wird erfindungsgemäß der Ladekondensator über einen Justierwiderstand, die Primärwicklung eines Impulstransformators, dessen Sekundärwicklung an Elektrode und Werkstück liegt, und über den steuerbaren Halbleiter entladen. Der steuerbare Halbleiter bleibt geöffnet, solange Strom im Sntladekreis fließt. Um zu verhindern, daß der steuerbare Halbleiter nach der Entladung des Ladekondensators durch einen Stromfluß aus dem Ladekreis des Ladekondensators weiter geöffnet bleibt, ist erfindungsgemäß im Ladekreis des Ladekondensators eine Ladedrossel vorgesehen, die den Anstieg des Ladestromes verzögert. Pur eine kurze Zeitdauer wird hierdurch der steuerbare Halbleiter stromlos und damit für den Stromdurchgang gesperrt. Er öffnet sich erst wieder, wenn der nächste Steuerimpuls auftritt.

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Bei den bekannten Stabilisierungs- und Ztlndverfahren für Wechselstromschweißlichtbögen haben die Stromimpulse die gleiche Polarität wie die zugehörige Halbwelle der Schweißwechselspannung, überraschenderweise hat es sich bei der Entwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, daß dies nicht unbedingt erforderlich ist, sondern daß die Stromimpulse dann auch gleichgerichr tet sein können, wenn dafür gesorgt wird, daß ein Rückschwingen der Stromimpulse im Entladekreis des Ladekondensators, welches den Lichtbogen wieder löschen würde, verhindert wird. Erfindungsgemäß wird deshalb die Primärwicklung des sekundärseitig an Elektrode und Werkstück liegenden Impulstransformator über einen Einweggleichrichter, beispielsweise eine Diode, kurzgeschlossen . Bei dieser Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens genügt ein einziger steuerbarer Halbleiter im Entladekreis des Ladekondensators, in dessen Steuerkreis dann ein Doppelweggleichrichter eingeschaltet ist. Die Einschaltung des Doppelweggleichrichters ist für die Erfindung von wesentlicher Bedeutung, da hierdurch gewährleistet wird, daß pro Periode der Schweißwechselspannung stets zwei Impulse zwischen Elektrode und Werkstück übergehen.

Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in seiner gleichzeitigen Brauchbarkeit für das Stabilisieren und Zünden von Wechselstromschweißlichtbögen. Ohne daß für diese beiden Anwendungszwecke verschiedene Einstellungen notwendig sind, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren je-

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der Stromimpuls zwischen Elektrode und Werkstück stets zum richtigen Zeitpunkt ausgelöst. Dieser Vorteil ergibt sich dadurch, daß die Auslösung des Steuerimpulses von der Spannung am spannungsabhängigen Schaltelement der Steuereinheit abhängt. Der Verlauf dieser Spannung entpricht demjenigen der Schweißspannung, wenn - wie vorgesehen - die Steuereinheit an Schweißspannung liegt. Bei brennendem Lichtbogen hat die Schweißspannung einen nahezu rechteckförmigen Verlauf, d.'h. einen sehr raschen Spannungsanstieg unmittelbar nach dem Nulldurchgang der Schweißwechselspannung. Aus diesem Grunde 'wird auch der Steuerimpuls und damit der Stromimpuls unmittelbar nach dem Nulldurchgang der Schweißwechselspannung ausgelöst. Dies gilt auch dann, wenn der Schweißwechselspannung eine Gleichspannungskomponente überlagert ist und dadurch ein unsymmetrischer Verlauf der Schweißwechselöpannung vorliegt. Vor dem Zünden dagegen hat die Leerlaufspannung einen sinusförmigen Verlauf. In diesem Falle wird der Zündstromimpuls erst einige Zeit nach dem Nulldurchgang der .Schweißwechselspannung ausgelöst, und zwar kurz vor dem Spannungsmaximum bei einem Spannungswert , bei dem der Lichtbogen schon gezündet werden kann. Demnach liegt beim erfindungsgemäßen Verfahren der Zeitpunkt des zwischen Elektrode und Werkstück übergehenden Stromimpuises sowohl beim Stabilisieren als auch beim Zünden stets so, daß seine Wirkung optimal ist.

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Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch zum Zünden von Gleichstromlichtbögen hervorragend geeignet. Bei einer Schweißstromquelle mit fallender Charakteristik beispielsweise ist es von besonderem Vorteil, wenn die Steuereinheit vor dem Gleichrichtersatz der Schweißstromquelle angeschlossen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren läuft in diesem Falle nur beim Zünden des Lichtbogens ab, während beim Schweißen die Steuereinheit aufgrund geeigneter Einstellungen des spannungsabhängigen Schaltelementes nicht arbeitet.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der· in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1: eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zum Stabilisieren und Zünden eines Wechselstromschweißlichtbogens »

Fig. 2a: den zeitlichen Verlauf der Schweißwechselspannung beim· Wechselstramschweißen.

Fig. 2b: den zeitlichen Verlauf der Schweißwechselspannung beim Wechselstromsdhweißen mit überlagerter Gleichspannungskomponente. Fig. j5: den zeitlichen Verlauf der Le erlauf spannung einer Stromquelle für das. Wechselstramschweißen.

J¹Ig. 4: eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Zünden eines GleichstromsQhweißlichtbogens.

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In Pig. 1 ist eine Schweißstromquelle 1, ein Werkstück 2, eine Elektrode 5* eine Leistungseinheit 4 für die Impulserzeugung und eine Steuereinheit 5 für die zeitliche Steuerung der Impulse dargestellt.

Die Schweißstromquelle 1 ist an eine Wechselstromquelle 6 angeschloßen und enthält in bekannter Weise einen Netzschalter 7, einen Schweißtransformator 8, eine einstellbare Induktion 9 zur Einstellung des Schweißstromes und einen Filterkondensator

Die Leistungseinheit 4 ist hinter dem Metzschalter 7 an die Wechselstromquelle 6 angeschlossen. Bei dieser Ausführungsfprm wird demnach die Leistungseinheit 4 gleichzeitig mit der Schweißstromquelle 1 eingeschaltet. Diese Schaltung ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, vielmehr kann die Leistungseinheit 4 völlig unabhängig von der Schweißstromquelle 1 an ein beliebiges Wechselstromnetz angeschlossen werden. Diese Unabhängigkeit der Leistungseinheit 4 vom Schweißstromkreis ist eine vorteilhafte Folge des erfindungsgemäßen Verfahrens, da auf diese Weise bei der Energieversorgung der Leistungseinheit 4 keine störenden Rückwirkungen auf den SchweißStromkreis erfolgen können.

Der Netzanschluß der Leistungseinheit 4 ist mit der Primärseite eines Trenntransformators 11 verbunden, wicher durch mehrere Anschlüsse an seiner Primärseite für verschiedene Spannungen benutzt werden kann. Die Sekundärseite des Trenntransformators 11. steht in Verbindung mit einem Brückengleichrichter 12, an dessen Äusgangsseite der Ladekreis des. Ladekondensators 13 liegt. Der

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Trenntransformator 11 ist nicht unbedingt erforderlich, vielmehr kann der Brückengleichrichter 12 auch direkt an eine Wechselstromquelle angeschlossen werden. Die Einschaltung eines Trenntransformators 11, der die Leistungseinheit 4· galvanisch vom Netz trennt, ist jedoch aus Sicherheitsgründen vorzuziehen.

Der Ladekondensator 1j5 liegt in einem vom Brückengleichrichter· 12 ausgehenden Ladekreis, der einen Glättungswiderstand l4 und eine Ladedrossel 15 enthält. Die beiden Ausgänge des Brückengleichrichters 12 sind über einen Glättungskondensator 16 miteinander vabunden. Ein v/eiterer Glättungskondensator 17 ist zwischen Glättungswiderstand lh und Ladedrossel 15 einerseits und zwischen Ladekondensator 1J> und Brückengleichrichter 12 andererseits eingeschaltet.

Der Ladekreis des Ladekondensators 1J> kann auch direkt an eine Gleichstromquelle angeschlossen werden. In diesem Falle wäre sowohl der Trenntransformator 11 als auch der Brückengleichrichter 12 überflüssig» Eine solche Auüführungsform der Leistungs-. einheit ist zum Beispiel vorteilhaft bei beengten räumlichen Verhältnissen, da dann lediglich ein baulich kleiner Teil der Leistungsheinheit in der Nähe der Schweißstelle zu sein braucht, der dann über längere Leitungen mit der Gleichstromquelle verbunden ist. Auch könnten mit einer solchen Gleichstromquelle mehrere Leistungseinheiten für eine Mehrstellenschweißanlage gleichzeitig versorgt werden.

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Der Entladekreis des Ladekondensators 13 enthält einen Justierwiderstand l8, die Primärseite eines Impulstransformators 19 und einen steuerbaren Halbleiter, beispielsweise einen Thyristor 20. Die Stromdurchgangsrichtung des Thyristors 20 geht von der Primärwicklung des Impulstransformators 19 zum Ladekondensator 13· Über einen Einweggleichrichter, beispielsweise eine Dbde 21, ist die Primärwicklung des Impulstransformators 19 in einer Richtung kurzgeschlossen.

Die Sekundärseite des Impulstransformators 19 ist mit der Elektrode 3 und dem Werkstück 2 verbunden. Zv/ischen der einen Seite der Sekundärwicklung des Impulstransformators 19 und der Elektrode 3 ist ein Trennkondensator 22 und ein Strombegrenzungswiderstand 23 eingeschaltet. Der Impulstransformator 19 kann auch entbehrt werden. In diesem Falle enthält der Entladekreis des Ladekondensators 13 direkt die Elektrode 3 und das Werkstück 2. Die dargestellte Ausführungsform mit Impulstransformator 19 ist jedoch vorzuziehen, da im anderen Falle die ganze Leistungseinheit 4 für wesentlich höhere Spannungen ausgelegt werden müßte.

Der S-euerkreis des Thyristors 20 enthält einen Doppelweggleichrichter 24, die Sekundärwicklung eines Steuerimpulstransformators 25, einen Einsteilwiderstand 26 und einen Belastungswiderstand 27. Als Doppelweggleichrichter 24 können beispielsweise ein Brückengleichrichter oder zwei Einweggleichrichter in Gegentaktschaltung verwendet werden. Die Primärwicklung des Steuerimpuls transformators 25 ist Teil eines Steuerimpulskreises, der ausser dieser Wicklung einen Justierwiderstand 28, die Sekundär

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wicklung eines Steuertransformators 29* einen Trennkondensator 30, ein spannungsabhängiges Schaltelement, beispielsweise eine Glimmröhre 31 und einen Strombegrenzungswiderstand 32 enthält. Anstelle der Glimmröhre 31 können auch, in jeweils geeigneter Schaltung, eine SpannungsBtabi lisa torröhre, eine Zenerdiode, ein Transistor oder ein Unijunctiontransistor verwendet werden. Die Sekundärwicklung des Steuertransformators 29 liegt außerdem einerseits direkt, andererseits über den Justierwiderstand 28 an einem Steuerladekondensator 33. Der Trennkondensator 30 ist mit einen Entladewiderstand 34 überbrückt. Die Primärwicklung des Steuertransformators 29 liegt am Ausgang der Schweißstromqueile 1, d. h. an der Schweißwechselspannung. Der Stromkreis der Primärwicklung enthält außer dieser selbst noch einen Trennkondensator 35 und eine Sperrdrossel 36· Der Steuertransformator 29 besitzt an seiner Primärseite mehrere Anschlüsse für die Anpassung an verschiedene Spannungen.

Hinter den Anschlüssen der Steuereinheit 5 ist in den Schweißstromkreis eine Eisenkerndrossel 37 eingeschaltet.

Die beschriebene Vorrichtung zum Stabilisieren und Zünden eines Wechselstromschweißlichtbogens arbeitet wie folgt: 1. Stabilisieren: Die Primärseite des Trenntransformators 11 ist mit einer V/echselstromquelle 6 verbunden. Von der Sekundärseite des Trenntransformators 11 aus fließt der Ladestrom über den Rrückengleichrichter 12, die aus den Glättungskondensatoren l6, 17 und dem Glättungswiderstand 14 bestehende Glättungseinheit und die Ladedrossel 15 so lange zum Ladekondensator 13, bis dieser

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aufgeladen ist. Die stoßartige Entladung des Ladekondensators über den aus Justierwiderstand l8, der Primärwicklung des Impulstransformators 19 und dem Thyristor 20 bestehenden Entladekreis erfolgt in dem Augenblick, in dem der Thyristor 20 einen diesen für den Stromdurchgang öffnenden Steuerimpuls aus der Steuereinheit 4 erhält. Dieser Steuerimpuls tritt unmittelbar nach dem Nulldurchgang der Schweißwechselspannung auf.

Der Thyristor 20 bleibt so lange für den Stromdurchgang geöffnet, wie im Entladekreis des Ladekondensators Ij5 Strom fließt. Um nach dem Entladen des Ladekondensators I^ einen weiteren Stromfluß aus dem Brückengleichrichter 12 und den Glättungskondensatoren l6, 17 für kurze Zeit zu verhindern, ist die Ladedrossel 15 vorgesehen, Vielehe den 3tromanstieg verzögert. Hierdurch entsteht nach Entladen des Ladekondensators 13 ein kurzer stromloser Augenblick im Entladekreis, der ausreicht, um den Thyristor 20 wieder für den Stromdurchgang zu sperren. Hieran anschließend wird der Ladekondensator I3 v/ieder bis zum nächsten Entladestoß aufgeladen. Die Dauer der im Entladekreis des Ladekondensators auftretenden Stromimpulse hängt von der Dimensionier, rung des Ladekondensators I^ und des Impulstransformators 19 ab. Eine Peineinstellung ist mit Hilfe des Justierwiderstandes Id möglich. Die besten Schweißergebnisse werden mit einer Impulsbreite von 1 bis 10 Mikrosekunden erzielt.

Der Stromimpuls im Entladekreis des Ladekondensators Iji wird durch den Impulstransformator 19 transformiert und der Elektrode 3 und dem Werkstück 2 zugeleitet. In der Leitung von der

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Sekunäärselte des Irapulstransformators 19. zur Elektrode 3 liegt ein Trennkondensator 22, der den ImpulsStromkreis vom Schweißstromkreis trennt. Die Eisenkerndrossel yj im Schweißstromkreis verhindert zu große Verluste des Impulsstromes in der Schweißstromquel'le 1.

Die zwischen Elektrode 3 und Werkstück 2 übergehenden Stromimpulse sollen Stromstärken in der Größenordnung von 10 Ampere besitzen. Mit Hilfe des erfindungsgemäß vorgesehenen Impuls transformator s 19 kann die Spitzenspannung der Stromimpulse je nach Bedarf auf Werte zwischen 300 und 5 000 Volt eingestellt werden, wobei die niederen Werte beispielsweise zur Herabsetzung der Hochfrequenzstörungen, beim Schweißen in Wohngebieten, die höheren Werte beispielsweise beim Automatenbetrieb von Plasmaschweiß- und -schneideanlagen oder beim Unterpulverschweißen gewählt werden. Entsprechend diesen geforderten Werten für die zwischen Elektrode J und Werkstück 2 übergehenden Stromimpulse besitzen die durch den Thyristor 20 gehenden gleichgerichteten Impulse Spannungswerte von 40 bis 1 000 Volt und Stromstärken von 40 bis 400 AmpeVe

Die Spannung an der Elektrode 3 und dem Werkstück 2 hat während des Schweigens den in der Fig. 2odargestellten rechteckförmigen Verlauf, unmittelbar nach dem Nulldurchgang der Schweißspannung zum Zeitpunkt T₁, d. h. unmittelbar nach Verlöschen des Lichtbogens, erreicht diese schon einen sehr hohen Viert. Der sehr steile Spannungsanstieg bewirkt - v,^rie weiter unten gezeigt wird mit Hilfe der Steuereinheit 5 die Auslösung eines Impulses zwi-

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sehen der Elektrode J5 und dem Werkstück 2 unmittelbar nach dem Nulldurchgang der .Schweißwechselspannung, ungefähr zum Zeltpunkt Tp, wie in Fig. 2 durch I schematisch angedeutet ist. Hierdurch wird ein sicheres Wiederzünden des Wechselstromschweißlichtbogens gewährleistet. In Pig. 2a ist außerdem zu erkennen, daß der Lichtbogen beim Nulldurchgang zur negativen Halbwelle hin nicht verlöscht. Die-ser Zustand tritt erst nach einiger Zeit nach Schweißbeginn ein, wenn die Elektrode schon sehr heiß ist.

Die E?ig. 2b zeigt den Verlauf einer Schweißwechselspannung mit überlagerter Gleichspannungskomponente. Diese Überlagerung wirkt sich bekanntlich so aus, daß die positive Halbwelle gegenüber der negativen zeitlich verkürzt erscheint. Der besondere Vorteil der Erfindung in einem solchen Falle ist darin zu sehen, daß auch hier die Impulse I zum richtigen Zeitpunkt T_? auftreten, obwohl zwischen zwei Impulsen abwechselnd verschieden lange Zeiträume liegen.

Die Schweißwechselspannung liegt zur Synchronisation von Schweißwechselspannung und Steuereinheit 5 an der Primärwicklung des Steuertransformators 29· In dessen PrimärStromkreis ist ein Trennkondensator 35 eingeschaltet, welcher verhindert, daß eine eventuell auftretende Gleichstromkomponente des Schweiß-Viechseistromes durch diesen Stromkreis fließt und außerdem die Steuereinheit 5 gegen einen möglichen Fehlanschluß an eine Gleichstromquelle schützt. Die Sperrdrossel J6 sperrt den Primärstromkreis des Steuertransformators 29 gegen unerwünschte Spannungs- und Schaltspitzen .

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Nach dem Nulldurchgang der Schweißwechselspannung steigt diese sehr rasch an. Hierdurch wird der Steuerladekondensator 33 sehr schnell aufgeladen. Diese Aufladezeit kann mit Hilfe des im Ladekreis des Steuerladekondensators 33 liesenden Justierwiderstandes 28 eingestellt werden. Gleichzeitig erfolgt auch an der Glimmröhre 31 ein schneller Spannungsanstieg, der diese bei Erreichen einer Grenzspannung zündet. Während die Glimmröhre 31 brenntj entlädt sich der Steuerladekondensator 33stoßartig über die'Primärwicklung des-Steuerimpulstrahsformators 25, den Strombegrenzungswiderstand 32.und" die Glimmröhre 31. Bi es er impulsartige Strom dauert so lange, bis der Trennkondensator 30 aufgeladen ist. Der StromfluB hört hierdurch auf und die: Glimmröhre 31 wird gelöscht. Anschließend wird der Trennkondensakor 30 über den Entladewiderstand 3^ entladen., worauf sich der Vorgang beim nächsten Nulldurchgang der SchweiBwechselspannung wiederholt.

Der demnach unmittelbar nach dem NuHduriehgang der Schweißwechselspannung in der Primärwicklung des Steuer- . impulstransformators 25 auftretende Steuerimpuls wird über dessen Sekundärwicklung, den Doppelwegglelchrichter 24 und den Einsteilwiderstand 2ό dem Thyristor 20 zugeleitet. Dieser leistungsschwache Steuerimpuls Öffnet den Thyristor 20 in der bereits beschriebenen Weise für den Durchgang des leistungsstarken Stromimpulses* der auf den Schweißstromkreis übertragen wird;.

Eine ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegende Äusführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unterscheidet sich von der beschriebenen Aus-:

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führungsform dadurch, daß mehrere steuerbare Halbleiter anstelle des Thyristors 20 vorgesehen sind. Werden beispielsweise zwei Thyristoren verwendet, de,ren Stromdurchgangs-richtung einander entgegengesetzt ist, kann der Doppelweggleichrichter 24 durch zwei Einweggleichrichter ersetzt werden, die jweils mit einer eigenen Sekundärwicklung des Steuerimpulstransformators verbunden sind. Die zwischen der Elektrode j5 und dem V/erkstüc'k 2 übergehenden Impulse haben dann wechselnde Polarität. Eine solche Ausführungsform wäre sogar unbedingt notwendig, wenn - wie bisher angenommen -wurde - die den Lichtbogen stabilisierenden Impulse die gleiche Polarität wie die wiederzuzündende Halbwelle haben müßten. Es hat sich jedoch überraschenderweis© geiaeLgt, daß dies nicht der Fall ist, sondern die gleiche stabilisierende Wirkung auch dann erzielt wipd., wenn die Impulse gle-ifü gerichtet sind. Hierzu ist es allerdings erforderlieh, daß Am Entladekreis des Ladekondensators 15 Bucksehwingungen nach Durchgang eines Impulses unterbunden werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren geschieht dies dadurch, daß die Primärvo/eümig des Impulstransformators 19 über die Diode 21 kurzgeschlossen wird. Auf diese V/eise entstehen trotz der unvermeidbaren Induktionen im SchweißStromkreis nur gleichgerichtete Impulse^ und zwar jeweils zwei pro Periode der Schweißvjechselspannung»

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2. Zünden: Die beschriebene Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens paßt sich ohne Änderung irgendeiner Einstellung von sich aus den gegenüber dem Schweißen unterschiedlichen Bedingungen beim Zünden des Lichtbogens an. Vor .dem Zünden des Lichtbogens hat die sowohl an der Elektrode > und dem Werkstück 2 als auch an der Primärwicklung.des Steuertransformators 29 liegende Leerlaufspannung den in Fig. 5 dargestellten Verlauf. Die Spannung steigt nach dem Nulldurchgang sinusförmig langsam an und erreicht erst nach einem großen Vielfachen der Zeitdauer Tp - T₁ (Fig. 2a bzw. 2b) bei Tj, ihren maximalen "Wert.. Aufgrund dieses Sachverhaltes zündet die Glimm-'e 3I erst sehr viel später als im Falle des brennenden Licht-, Der Steuerimpuls für den.Thyristor 20 und damit auch

„ampuls zwischen der Elektrode 5 und dem Werkstück 2, ψ Fig. 3 schematisch mit I angedeutet ist, erfolgt demnach \ls erst eine geraume Zeit nach dem Nulldurchgang, der Wech- \ung, etwa zum Zeitpunkt T(-, der schon in der Nähe der Innung zum Zeitpunkt T^₁ liegt.

'um Zeitpunkt T₁- ist die Le er lauf spannung jedoch so tagen, daß ein Lichtbogen gezündet werden kann. Außer zum Stabilisieren und Zünden von Wechselstromchtbögen kann das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft Zünden von Gleichstromlichtbögen verwendet werden. h seig-r eine Äusführungsform einer erfindungsgemäßen .•lchtung für ein solches Zündverfahren. Sine Schvielßstromauelle 38 rür c^s "uleichstromschweiSen ist an eine Drehstrornquelle 39_ aiiges; jhloss-en,- Die .Sch\vei3stromquelle ^B enthält in ν" ..■■ -. "- .■ _ - ./.

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bekannter Weise einen Transformator 4o, eine Drosselgruppe 4l und ejten Gleichrichtersatz 42. Sie ist in der üblichen Weise mit der Elektrode 45 und dem Werkstück 44 verbunden*

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens besteht aus der Leistungseinheit 45 und der Steuereinheit 46. Diese sind in der Fig. 4 nur angedeutet und entsprechen in ihrem-Aufbau der Leistungseinheit 4 und der Steuereinheit 5 der Fig. 1. Die Leistungseinheit 45 liegt bei diesem Ausführungsbeispiel hinter einem Netzschalter 47 an einer bestimmten, am Transformator 40 abgegriffenen Wechselspannung. Die Steuereinheit 46 liegt zwischen der Drosselgruppe 41 und dem Gleichrichtersatz 42, ebenfalls an einer bestimmten Wechselspannung. Die Anschlüsse von Leistungseinheit 45 und Steuereinhat 46 sind lediglich der Einfachheit halber in der geschilderten Weise vorgesehen. Beide Einheiten können auch an beliebige andere Wechselstromquellen angeschlossen werden. Eine Verbindung, insbesondere der Steuereinheit 46 mit dem Schweißstromkreis ist im Falle des Gleichstromschweißens nicht unbedingt erforderlieh. Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung hat Jedoch bei Schweißstrom·- quellen mit fallender Charakteristik den besonderen Vorteil, daß die Steuereinheit 46 bei geeigneter Einstellung ihrer Bauelemente nur beim Zünden arbeitet, während beim Schweißen wegen der dann zu niedrigen Spannung am spannungsabhängigen Schaltelement (31, Fig. I) keine Steuerimpulse und damit auch keine Stromimpulse zwischen Elektrode 4^ und Werkstück 44 ausgelöst werden. . ■ ./.

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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Stabilisieren und Zünden von Schweißlichtbogen ist nicht auf das Lichtbogenschweißen im engeren Sinne begrenzt, d. h. auf das Lichtbogenschweißen mit oder ohne Schutzgas und mit abschmelzender oder nichtabschmelzender Elektrode. Es lässt sich gleichermaßen und mit den gleichen. Vorteilen auch anwenden beim Unterpulverschweißen, Lichtbogenauftragsschweißen und Lichtbogenschneiden sowie beim. Plasmaschweißen, Plasmaauftragsschweißen, Plasmaschneiden, Plasmahobeln und Plasmaspritzen. Bei den Plasmaverfahren insbesD ndere kann das erfindungsgemäße Verfahren sowohl auf den-durchgeführten als auch auf den nicht durchgeführten Lichtbogen vorteilhaft angewandt angewandt werden.

Pur alle diese Anwendungsgebiete können ohne wesentliche Änderungen in der Dimensionierung und Einstellung der Bauelemente stets Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsigemäßen Verfahrens benutzt werden, die im wesentlichen den in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Vorrichtungen entsprechen. Es handelt sich demnach bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung um ein universell anwendbares Gerät, das auf einem großen Gebiet j des elektrischen Schweißens und Schneidens mit Vorteil elnge- '.. setzt werden kann.

17 Patentansprüche
3 Zeichnungen

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Claims

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

-»6-7/043

Sm/hf

Patentansprüche 50.6.1967

1) Verfahren zum Stabilisieren eines Wechselstromsehweißlichtbogens und zum Zünden eines Wechsel- oder Gleichstromschweißlichtbogens mit Hilfe von Stromimpulsen, die zwischen Elektrode und Werkstück übergehen und die durch eine stoßartige Entladung eines Ladekondensators erzeugt werden,-dadurch gekennzeichnet., daß die Entladung des in einer Leistungseinheit (4) liegenden Ladekondensators (13) über einen steuerbaren Halbleiter (20) erfolgt, der für jeden Stromimpuls für die Dauer von 0,8 bis 20, vorzugsweise 1 bis 10 Mikrosekunden für den Stromdurchgang geöffnet wird."

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Halbleiter (20) nach Durchgang jedes Stromimpulses mit Hilfe einer im Ladekreis des Ladekondensators (13) liegenden Ladedrossel (15) für den Stromdurchgang gesperrt wird.

3) Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung des Ladekondensators (13) über die Primärwicklung eines sekundärseitig an Elektrode (3) und Werkstück (2) liegenden Impulstransformators (19) erfolgt.

: 4) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die _l Primärwicklung des sekundärseitig an Elektrode (3) und Werkstück (2) liegenden Impulstransformators (19) nach dem Durchgang jedes Stromimpuises über einen Einweggleichrichter (21), beispielsweise eine Diode, kurzgeschlossen wird.

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Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösung jedes Stromimpulses durch einen den steuerbaren Halbleiter (20) für den Strom- \ durchgang Öffnenden Steuerimpuls erfolgt, welcher in einer Steuereinheit (5) durch die Entladung eines Steuerladekondensators 03) über ein spannungsabhängiges Schaltelement (51) erzeugt und"Über einen Steuerimpulstransformator (23) mit nachgeschältetem Doppelweggleichrichter (24) dem steuerbaren I Halbleiter (20) zugeleitet wird* \

6) Verfahren nach Anspruch1» dadurchgekennzeichnet, daß die Entladung desJLaäekondensators über mehrere steuerbare Halbleiter erfolgt»

7) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1bis 5, gekennzeichnet durch eine Leistungseinheit (4), welche im Ladekreis eines Ladekondensators (13) die Sekundärwicklung eines primärseitig an einer Wechselstromquelle liegenden Trenntransformators (Il) j, einen Brüekengleichrichter (12) und eine Glättungs^inheit (l4, 16, 17) und im Entladekreis des Ladekondensators (13) einen Justierwiderstand (ΐδ), die Primärwicklung eines sekundärseitig an Elektro-i de (3) und V/erkstück (2) liegenden Impuls trans format or s (19) und einen steuerbaren Halbleiter (20) enthält, wobei diese : Leistungseinheit (4) mit einer Steuereinheit (5) ,durch.den Steuerkreis des steuerbaren Halbleiters, (20). verbunden ist.

009821 /097 1 ^: ", \ i , ϊή (M;

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und dieser Steuerkreis innerhalb der Steuereinheit (5) einen Doppelweggleichrichter (24) und die Sekundärwicklung eines Steuerimpulstransformator (25) enthält, dessen Primärwicklung Teil eines Steuerimpulskreises ist, der aus einem Steuerladekondensator (33), einem spannungsabhängigen Schaltelement (31), einem Justierwiderstand (28) und der Stoandärwicklung eines primärseitig an einer Wechselstromquelle liegenden Steuertransformators (29) besteht. ■ ■·■■

δ) Vorrichtung nach Anspruch 7Y dadurch gekennzeichnet, daß der Ladekreis des Ladekohdensators (I3) eine Ladedrossel (15) enthält. ■-..-.■ /

9) Vorrichtung nach Anspruch 7 oder &V dadurch gekennzeichnet,

daß die Primärwicklung des Impulstransformators (19) über einen Einweggleichrichter (2T), beispielsweise eine Diode, kurzgeschlossen ist*

10) Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet> daß der Steuerimpulskreis Im Sntladekreis des Steuerladekondensators (33) einen Trennkondensator (30-) ent» hält, der durch einen Entlad ev/i der st and (34) überbrückt ist.

11) Vorrichtung nach einem oder mehreren der· Ansprüche 7 bis 10 ₃ dadurch gekennzeichnet, daß der PrimHrstromkreis des Steuertransformatörs (29) einen Trennkondensator (55) enthält.

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BAD

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12) Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstromkreis eine Eisenkerndrossel (37) enthält.

13) Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7-"'bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung des Trenntransformators (ll) und damit die Leistungseinheit (4) an die Schweißstromquelle (l) hinter deren Netzschalter (7) angeschlossen ist. ■

)■ Vorrichtung nach einem .oder mehreren der Ansprüche. 7 bis 13* zum Stabilisieren und Zünden eines Wechselstromschweißlichtbogens, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung des Steuertransformators (29) und damit die Steuereinheit (5) an die Schweißwechselspannung angeschlossen ist»

15) Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis zum Zünden eines GleichstromschweißlichtbOgens bei Verwendung einer Schweißstromquelle mit fallender Charakteristik, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung des Steuertrans-' förmators" (29) und damit die Steuereinheit (46) an die Schweißstromquelle (38) vor deren Gleichrichersatz (42) angeschlossen ist. · ."'. -

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16) Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis

15, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Halbleiter j (20) ein Thyristor ist.

17) Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis

16, dadurch gekennzeichnet, daß das spannungsabhängige ■ Schaltelement (3I) eine Glimmröhre ist.

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