DE19609024A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung der bei einem Schweißvorgang einem Schweißgut zugeführten Wärmemenge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung der bei einem Schweißvor­ gang einem Schweißgut zugeführten Wärmemenge, die einen Schweißtransfor­ mator aufweist, dessen sekundärseitige Ausgangsklemmen mit Schweißelektro­ den verbindbar sind, dessen erste primärseitige Eingangsklemme unter Zwi­ schenschaltung einer Steuereinheit mit einem ersten Leiter einer Versorgungslei­ tung, der ein erstes Spannungspotential aufweist, verbindbar ist, und dessen zweite primärseitige Anschlußklemme mit einem zweiten Leiter der Versorgungs­ leitung, der ein zweites Spannungspotential aufweist, verbindbar ist.

Eine derartige Vorrichtung ist aus dem praktischen Einsatz bekannt. Diese Vor­ richtungen werden üblicherweise an das 50-Hz-400-V-Netz angeschlossen, wobei die zweite primärseitige Anschlußklemme des Schweißtransformators direkt mit einem ersten Phasenleiter dieses Spannungsnetzes verbunden ist, während die erste primärseitige Anschlußklemme über zwei antiparallel geschaltete Thyristoren (Triac) mit dem zweiten Phasenleiter der dreiphasigen Versorgungs­ leitung verbunden ist. Die bei einem Schweißvorgang dem Schweißgut über die sekundärseitig am Schweißtransformator angeschlossenen Schweißelektroden zugeführte Wärmemenge ist im wesentlichen durch das Produkt des quadrati­ schen Effektivwerts des beim Schweißvorgang fließenden Schweißstroms, des durch den Schweißkreis vorgegebenen, unbeeinflußbaren Schweißwiderstands, und der Schweißzeit, also des Zeitraums, für den bei einem Schweißvorgang ein Schweißstrom fließt, festgelegt: Dies bedeutet, daß im wesentlichen die beim Schweißvorgang dem Schweißgut zugeführte Wärmemenge bei den bekannten Vorrichtungen durch die Verschiebung des Zündzeitpunktes der Thyristoren rela­ tiv zum Nulldurchgang der Versorgungsspannung, also durch die Einstellung des Effektivwerts des Schweißstroms, und durch eine entsprechende Einstellung der Schweißzeit durch die Steuerungseinheit der Vorrichtung verändert werden kann. Bei den bekannten Vorrichtungen kann der Zündzeitpunkt der Thyristoren, also der Steuerwinkel, typischerweise zwischen 30° und 170° eingestellt werden, wor­ aus eine Veränderung des Effektivwerts des Schweißstroms von ca. 20% bis 90% seines maximalen Effektivwertes erzielt werden kann. Die Schweißzeit kann bei den bekannten Vorrichtungen typischerweise im Bereich von ein bis zwölf Pe­ riodenlängen der sinusförmigen Versorgungsspannung eingestellt werden.

Der o.a. Einstellbereich der Schweißmenge ist für einen begrenzten Einsatzbe­ reich der Vorrichtung ausreichend, ermöglicht es jedoch nicht, daß die bekannten Vorrichtungen für einen großen Bereich von erzielbaren Wärmemengen einzuset­ zen, wie es z. B. bei einer Schweißanlage erforderlich ist, die eine Vielzahl von unterschiedlichen Produkten mit gleichbleibend guter Schweißqualität fertigen soll. Zum Beispiel erfordert eine Schweißung von großen Silberkontakten, die ty­ pischerweise 15-25 mm² Schweißfläche aufweisen, auf einen Kupfer-Träger, der eine typische Materialstärke von 0,5-2 mm aufweist, eine relativ große Wärme­ menge. Hierzu würde üblicherweise ein Schweißtransformator mit einer Nennlei­ stung von typischerweise 70 kVA und mit einem frühen Zündzeitpunkt der Thyri­ storen, der kurz nach dem Netzspannungs-Nulldurchgang liegt und damit einen hohen Stromeffektivwert mit sich bringt, eingesetzt. Nachteilig hierbei ist, daß aus einer derartigen Auslegung die Schweißzeit nur im begrenzten Maß erhöht wer­ den kann, da bei langen Schweißzeiten viel Wärme aus der eigentlichen Schweißlinse in den sehr gut wärmeleitenden Kupfer-Träger abfließt und somit dem Schweißvorgang verlorengeht.

Wenn mit der gleichen Vorrichtung nun ein kleiner Silberkontakt von typischer­ weise 1-5 mm² Schweißfläche auf einem Messing-Träger mit einer typischen Ma­ terialstärke von 0,3-1,2 mm aufgeschweißt werden soll, wird bei dem obigen An­ wendungsbeispiel eine Faktor 5-15 geringere Wärmemenge benötigt. Da es un­ wirtschaftlich ist, den Schweißtransformator auf einen mit kleinerer Nennleistung umzurüsten, wird bei den bekannten Vorrichtungen vorgesehen, daß die Thyri­ storen erst später zünden, damit ein kleinerer Stromeffektivwert erreicht wird. Ei­ ne derartige Vorgangsweise besitzt den Nachteil, daß durch den späten Zünd­ zeitpunkt der Thyristoren ein ungünstiges Strom/Pausen-Verhältnis erreicht wird, bei dem durch die langen Pausenzeiten zwischen den einzelnen Impulsen des Schweißstroms wiederum viel Wärme aus der Schweißlinse abfließt, die somit der Schweißung verlorengeht und zusätzlich über die Schweißelektroden zuge­ führt werden muß, so daß in nachteiliger Art und Weise die Elektrodenstandzeit herabgesetzt wird.

Ein weiterer Nachteil dieser Vorgangsweise besteht darin, daß die Verwendung von kurzen Stromimpulsen und langen Pausenzeiten zu einer stoßartigen, hohen Stromdichte an dem Übergang zwischen den Schweißelektroden und den Schweißteilen führt. Dies resultiert in nachteiliger Art und Weise in einer stark er­ höhten Anlegierung der Schweißelektroden. Dies führt zu einer weiteren Vermin­ derung der Standmenge der Schweißelektroden.

Es ist auch bekannt, bei Schweißvorrichtungen mit einer kleineren Nennleistung, etwa typischerweise bis 15 kVA, die Primärspannung des Schweißtransformators stufenweise zu verändern, um durch die Auswahl einer kleineren Spannungsstufe einen kleineren maximalen Effektivwert des Schweißstroms vorgeben zu können so daß auch Schweißteile, deren Verschweißung eine kleinere Wärmemenge er­ fordert, mit einem günstigen Strom/Pausen-Verhältnis geschweißt werden kön­ nen. Dies wird bei den bekannten Schweißvorrichtungen durch die Vorschaltung eines in der Steuerungseinheit integrierten Transformators mit mehreren An­ zapfungen ermöglicht.

Nachteilig daran ist, daß eine derartige Vorgangsweise nur bei kleinen Nennlei­ stungen der Vorrichtung wirtschaftlich ist: Bei Nennleistungen von typischerweise mehr als 15 kVA ist ein großes Bauvolumen des Vorschalttransformators der Steuerungseinheit erforderlich. Dies verteuert die bekannte Vorrichtung beträcht­ lich und resultiert außerdem in einer schweren Bauart. Außerdem ist von Nach­ teil, daß bei den bekannten Vorschalttransformatoren bei größeren Schweißströ­ men eine hohe Verlustleistung entsteht, die über eine aufwendige und daher un­ wirtschaftliche Wasserkühlung abgeführt werden müßte.

Deshalb wird bei Schweißvorrichtung mit einer größeren Nennleistung vorgese­ hen, daß der Schweißtransformator mehrere Anzapfungen, typischerweise vier, aufweist, wobei typischerweise eine Spannungsstufung von 70%, 80%, 90% und 100% vorgesehen ist. Eine derartige bekannte Spannungsstufung reicht aber nicht aus, um - zum Beispiel - den eingangs beschriebenen Bereich von un­ terschiedlichen Wärmemengen abzudecken. Es wäre auch möglich, durch das Vorsehen von mehr als vier Anzapfungen eine größere Spannungsstufung vorzu­ sehen, die aber in einer erhöhten Baugröße und damit auch in einem größeren Gewicht und einem höheren Preis der bekannten Schweißvorrichtung resultieren würde. Aus diesem Grund haben sich in der Praxis mehr als vier Anzapfungen nicht durchgesetzt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß in einfacher und daher kostengünstiger Art und Weise ein vergrößerter Bereich von erzielbaren Wärmemengen beim Schweißvorgang erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, bei der vor­ gesehen ist, daß der primärseitigen zweiten Anschlußklemme des Schweißtrans­ formators der Vorrichtung ein Schalterelement vorgeschaltet ist, durch das die zweite primärseitige Anschlußklemme des Schweißtransformators wahlweise zu­ mindest mit dem das zweite Spannungspotential aufweisenden zweiten Leiter der Versorgungsleitung und einem dritten Leiter der Versorgungsleitung, der ein vom zweiten Spannungspotential unterschiedliches drittes Spannungspotential auf­ weist, verbindbar ist.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung zur Steuerung der bei ei­ nem Schweißvorgang zuführbaren Wärmemenge besitzt den Vorteil, daß zum ei­ nen die Mehrkosten gegenüber einer bekannten Schweißvorrichtung minimal sind, da zur Realisierung des erfindungsgemäßen Konzepts lediglich ein einfa­ ches Schalterelement erforderlich ist. Zum anderen sind auch bereits existieren­ de Schweißvorrichtungen besonders einfach mit dem erfindungsgemäßen Schal­ terelement nachrüstbar, da es für die erfindungsgemäße Ausrüstung dieser Vor­ richtungen ausreicht, daß zwischen die eine primärseitige Anschlußklemme des Transformators und die Versorgungsleitung ein zumindest zweistufiger Schalter angeordnet wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt damit eine besonders einfache und preiswerte Möglichkeit dar, mit einer für höhere Nennleistungen ausgelegten Schweißvorrichtung auch Schweißaufgaben durchzuführen, die eine geringere Nennleistung erfordern, ohne daß man dazu gezwungen ist, die ein­ gangs beschriebenen, nachteiligen Vorschalttransformatoren einzusetzen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die mit dem erfin­ dungsgemäßen Schalterelement verbundene primärseitige Anschlußklemme des Schweißtransformators mehrere Anzapfungen aufweist. Durch diese einfache konstruktive Ausgestaltung ist es besonders einfach möglich, eine feinere Abstu­ fung für die dem Schweißgut zuführbare Wärmemenge zu schaffen.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem Ausführungsbeispiel zu entnehmen, das im folgenden anhand der einzigen Figur beschrieben wird. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Steuerung der beim Schweißvorgang zugeführten Wärmemenge.

Das in Fig. 1 dargestellte Schaltbild zeigt den prinzipiellen Aufbau einer allge­ mein mit 1 bezeichneten Vorrichtung zur Steuerung der bei einem Schweißvor­ gang einem Schweißgut 10 über Schweißelektroden 11 zuführbaren Wärmemen­ ge. Hierbei wird der Vorrichtung 1 die erforderliche elektrische Energie über eine Versorgungsleitung L zugeführt, die drei Phasenleiter L1, L2 und L3 sowie einen Nulleiter N aufweist, wie dies bei der von den Versorgungsbetrieben bereitge­ stellten 50-Hz-400-V-Netz der Fall ist. Hierbei sind die einzelnen Spannungspo­ tentiale in den drei Phasenleitern L1-L3 in an und für sich bekannter Art und Wei­ se um 120° zueinander phasenverschoben. Es soll an dieser Stelle betont wer­ den, daß die nachfolgende, auf der vorstehend beschriebenen Netzspannung ba­ sierende Erläuterung des Ausführungsbeispiels zwar den typischen Einsatzzweck darstellt, daß es jedoch aber auch möglich ist, anstelle der vorbeschriebenen Spannungsverhältnisse auch eine andere Konstellation vorzusehen.

Die Vorrichtung 1 weist einen an und für sich bekannten und daher nicht näher beschriebenen Schweißtransformator 3 auf, dessen sekundärseitige Klemmen 3a′, 3b′ mit den Schweißelektroden 11 verbindbar sind. Die eine erste primärseitige Anschlußklemme 3a des Schweißtransformators 3 ist mit einem zwei antiparallel geschaltete Thyristoren 4a, 4b aufweisenden Triac 4 einer Steuerungseinheit 5 verbunden, wobei der Zündzeitpunkt des Triacs 4 über ein ihn ansteuerndes Zeitsteuerelement 6 der Steuereinheit 5 verstellbar ist. Der Triac 4 ist über einen Ein/Aus-Schalter 9 mit dem ersten Phasenleiter L1 verbun­ den. Eine derartige Ausgestaltung einer Vorrichtung ist bekannt und muß daher nicht mehr näher beschrieben werden.

Wichtig ist nun, daß die zweite primärseitige Anschlußklemme 3b des Schweiß­ transformators 3, welche bei den bekannten Schweißvorrichtungen direkt mit dem zweiten Phasenleiter L2 der Versorgungsspannung verbunden ist, nunmehr mit einem Schalterelement 7 verbunden ist, das mindestens zwei Schaltstufen 7a und 7b aufweist, durch die die zweite primärseitige Anschlußklemme 3b des Schweißtransformators 3 wahlweise mit dem auf dem zweiten Spannungspotenti­ al liegenden zweiten Phasenleiter L2 (Schalterstufe 7b geschlossen) oder mit dem auf einem dritten Spannungspotential liegenden Nulleiter N verbindbar ist. An dieser Stelle muß angemerkt werden, daß die Verwendung des Phasenleiters L2 nicht zwingend erforderlich ist. Es ist auch möglich, daß der Eingang der er­ sten Schalterstufe 7a des Schaltelements 7 mit dem dritten Phasenleiter L3 ver­ bunden ist. Bei der weiteren Beschreibung soll jedoch von der in Fig. 1 darge­ stellten, o.g. Konstellation ausgegangen werden.

Desweiteren ist vorzugsweise noch vorgesehen, daß die zweite primärseitige An­ schlußklemme 3b des Schweißtransformators über mehrere, in dem hier gezeig­ ten Fall vier, Anzapfungen 8a-8d verfügt, durch die in an und für sich bekannter Art und Weise eine Spannungsstufung erzielbar ist. Für Zwecke der weiteren Be­ schreibung wird hierbei angenommen, daß durch ein Anlegen der Versorgungs­ spannung an die erste Anzapfung 8a 100%, an die zweite Anzapfung 8b 90%, an die dritte Anzapfung 8c 80% und an die vierte Anzapfung 8d 70% des maxi­ malen Effektivwerts des Schweißstroms an den sekundärseitigen Anschlußklem­ men 3a′, 3b′ des Schweißtransformators 3 abgreifbar ist. Es bedarf keiner weiteren Erläuterung, daß mehr oder weniger als vier Anzapfungen 8a-8d an der zweiten primärseitigen Anschlußklemme 3b des Schweißtransformators 3 vorge­ sehen sein können, und daß auch eine andere als die vorstehend aufgeführte, von 70% bis 100% reichende Spannungsstufung vorgesehen sein kann.

Die Funktionsweise der beschriebenen Vorrichtung ist nun wie folgt: Wenn bei dem Schalterelement 7 die erste Schaltstufe 7a offen und die zweite Schaltstufe 7b geschlossen ist, wird der Schweißtransformator 3 in seiner normalen Betriebs­ art betrieben, so daß bei einer 400 V Netzspannung in Abhängigkeit von der aus­ gewählten Anzapfung 8a-8d 70%-100% des maximal erreichbaren Effekti­ vwerts des Schweißstroms über die sekundärseitigen Anschlußklemmen 3a′, 3b′ an die Schweißelektroden 11 abgegeben werden.

Um nun die dem Schweißgut 10 zuführbare Wärmemenge reduzieren zu kön­ nen, wird das Schaltelement 7 derart betätigt, daß die erste Schaltstufe 7a ge­ schlossen und die zweite Schaltstufe 7b geöffnet ist, so daß an den beiden pri­ märseitigen Anschlußklemmen 3a, 3b - die vorstehend aufgeführten Spannungs­ verhältnisse vorausgesetzt - eine Versorgungsspannung von 230 V anliegt. Hier­ durch wird in vorteilhafter Art und Weise erreicht, daß - in Abhängigkeit von der jeweils verwendeten Anzapfung 8a-8d - an den sekundärseitigen Ausgangsklem­ men 3a′, 3b′ des Schweißtransformators 3 nunmehr 40%, 46%, 52% oder 58% des maximalen Effektivwerts des Schweißstroms abgegeben wird. Es ist daher durch die einfache Anordnung des Schalterelements 7 in besonders vorteilhafter Art und Weise möglich, mit minimalem Aufwand den Effektivwert des Schweiß­ stroms und - damit korreliert - die während einer definierten Schweißzeit dem Schweißgut 10 zuführbare Wärmemenge herabzusetzen.

Wenn - wie es in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist - die ein­ zelnen Leiter L1-L3, N der Versorgungsleitung L jeweils ein Spannungspotential aufweisen, das gegenüber der anderen Leitung eine relative Phasenverschie­ bung aufweist, wie es bei dem 400-V-50-Hz Netz auftritt, bei dem zwischen den Phasenleitern L1-L3 jeweils eine Phasendifferenz der sinusförmigen Spannung von 120° herrscht - ist es erforderlich, das Zeitsteuerelement 6 der Steuerungs­ einheit 5 auf die durch das Umschalten vom zweiten Phasenleiter L2 auf den Nulleiter N geänderten Spannungsverlauf zu adaptieren, um den richtigen Zünd­ zeitpunkt des Triacs 4 zu gewährleisten. Dies wird in besonders einfacher Art und Weise dadurch erreicht, daß die Spannungsversorgung für das Zeitschaltelement 6 der Steuerungseinheit 5 in Stromflußrichtung hinter dem Schaltelement 7 abge­ griffen wird.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Steuerung der bei einem Schweißvorgang einem Schweißgut (10) zugeführten Wärmemenge, die einen Schweißtransformator (3) aufweist, dessen sekundärseitige Ausgangsklemmen (3a′, 3b′) mit Schweißelektroden (11) verbindbar sind, dessen erste primärseitige Eingangsklemme (3a) unter Zwischenschaltung einer Steuerungseinheit (5) mit einem ersten Leiter (L1) einer Versorgungsleitung (L), der ein erstes Spannungspotential aufweist, verbindbar ist, und dessen zweite primärseitige Anschlußklemme (3b′) mit ei­ nem zweiten Leiter (L2) der Versorgungsleitung (L), der ein zweites Span­ nungspotential aufweist, verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der pri­ märseitigen zweiten Anschlußklemme (3b′) des Schweißtransformators (3) der Vorrichtung (1) ein Schalterelement (7) vorgeschaltet ist, durch das die zweite primärseitige Anschlußklemme (3b) des Schweißtransformators (3) wahlweise zumindest mit dem das zweite Spannungspotential aufweisenden zweiten Leiter (L2) der Versorgungsleitung (L) und einem dritten Leiter (N) der Versorgungsleitung (L), der ein vom zweiten Spannungspotential unter­ schiedliches drittes Spannungspotential aufweist, verbindbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schalterele­ ment (7) mindestens zwei Schaltstufen (7a, 7b) aufweist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite primärseitige Anschlußklemme (3b) mindestens zwei eine Spannungsstufung bewirkende Anzapfung (8a-8d) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (5) ein Zeitschaltelement (6) aufweist, das auf die aktuell an der zweiten primärseitigen Eingangsklemme (3b) des Schweißtransformators (3) anliegende Phasenlage der dem Schweißtransformator (3) zugeführten Spannung synchronisierbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungs­ spannung für das Zeitschaltelement (6) der Steuerungseinheit (5) im Strom­ flußrichtung nach dem Schalterelement (7) abgreifbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Steuerungseinheit (5) und der Versorgungsleitung (L) ein Ein/Aus-Schalter (9) angeordnet ist.

7. Verfahren zur Steuerung der beim Schweißvorgang einem Schweißgut (10) zuführbaren Wärmemenge, bei dem an einen Schweißtransformator (3) pri­ märseitig ein erstes Spannungspotential angelegt wird, und bei dem die Dau­ er des Anlegens dieses Spannungspotentials von einer Steuereinrichtung (5) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß einer Anschlußklemme (3b′) des Schweißtransformators (3) ein Schalterelement (7) vorgeschaltet wird, und daß durch das Schalterelement (7) an die Anschlußklemmen (3a, 3b) des Schweißtransformators (3) wahlweise ein erstes oder ein zweites Spannungs­ potential angelegt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitsteuerele­ ment (6) der Steuereinheit (5) auf die an den Anschlußklemmen (3a, 3b) des Schweißtransformators (3) anliegenden Phasenlage der dem Schweißtrans­ formator (3) zugeführten Spannung synchronisiert wird.