DE29508868U1

DE29508868U1 - Vorrichtung zum Elektroschweißen

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Publication number: DE29508868U1
Application number: DE29508868U
Authority: DE
Original assignee: Harms & Wende U Co KG GmbH
Current assignee: Karakas Erdogan Dr-Ing De
Priority date: 1995-02-20
Filing date: 1995-05-29
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2005-05-30

Description

Vorrichtung zum Elektroschweißen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Elektroschweißen mit einem Netzgleichrichter, einem sich daran anschließenden Wechselrichter, einem Transformator für den mit dem Wechselrichter erzeugten Strom, der sekundärseitig über eine Schweißzange mit den Schweißelektroden verbunden ist, und mit einer Steuerung. Unter "Schweißelektroden" sollen dabei allgemein die Elemente verstanden werden, an die die Spannung angelegt wird, um den Schweißvorgang zu bewirken. Beim Widerstandsschweißen, auf das sich die folgende Beschreibung in erster Linie, aber nicht einschränkend bezieht, sind dies die an der Schweißzange angeordneten Elektroden. Beim Lichtbogenschweißen wäre die eine "Schweißelektrode" das Werkstück, die andere der Schweißdraht bzw. die Schweißelektrode.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE 41 13 117 Cl) wird der Netzstrora gleichgerichtet und der gleichgerichtete Strom dann im Wechselrichter in einen Wechselstrom höherer Frequenz umgewandelt. Es wird (Fig. 4) zunächst eine Folge positiver Strompulse und anschließend eine Folge negativer

Dresdner Bank AG Hamburg 04 030 448 00 (BLZ 200 800 00) Postbank Hamburg 1476 07-200 (BLZ 200 100 20)

Strompulse erzeugt, wobei die Pulsbreite jeweils zunächst zunimmt und dann wieder abnimmt. Auf diese Weise erhält man im wesentlichen, z.B. wie bei der Ausführungsform der Fig. 4 der Entgegenhaltung, eine resultierende Spannung bzw. einen resultierenden Strom mit einer Frequenz, die wesentlich niedriger ist als die Frequenz des Wechselrichters. Dieser Strom wird dann über einen Transformator den Schweißelektroden zugeführt. Dieser Strom bewirkt dann beim Widerstandsschweißen bekanntlich, daß wegen des Übergangswiderstandes an der Berührungsstelle der beiden zu verschweißenden Werkstücke eine Erwärmung und Verschweißung auftritt. Beim Lichtbogenschweißen wird mit diesem Strom der Lichtbogen erzeugt und aufrechterhalten.

Der Vorteil der vorbekannten Vorrichtung besteht darin, daß man durch Steuerung der Pulsbreiten und andere Beeinflussung der Pulsfolgen unterschiedliche Wellenformen für die Schweißspannung erhält. Der Nachteil besteht aber darin, daß der Transformator nicht nur die Frequenzkomponenten hoher Frequenz (typischerweise z.B. 1 kHz) übertragen muß, die den Pulsen entsprechen, sondern auch den resultierenden Strom verhältnismäßig niedriger Frequenz, der im wesentlichen eine Frequenz von 40 - 200 Hz haben wird. Der Transformator muß also nicht für eine Frequenz von vielleicht 1 kHz ausgerichtet werden, sondern für eine ungefähr 5 bis 25 mal niedrigere Frequenz, wobei diese Frequenzen nur Beispiele sind und auch andere Werte haben können. Dadurch nimmt der Transformator sehr viel Platz ein, wird sehr schwer und teuer. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit Schweißrobotern von großem Nachteil, da der Transformator am Roboterarm angebracht sein muß, um lange Zuleitungen für die großen Ströme zu vermeiden. Die Roboterarme können aber nur ein gewisses Gewicht tragen, wenn sie selbst nicht sehr unförmig und teuer werden und insbesondere dann auch viel Platz und kräftige Antriebe benötigen, um schnell bewegt werden zu können.

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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Erschaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die vielseitig ist und bei der insbesondere die Größe des Transformators wesentlich verringert werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Schweißelektroden mit den Sekundaranschlussen des Transformators über nur in einer Richtung leitende Schaltermittel verbunden sind, die direkt mit den Sekundäranschlüssen verbunden sind, und daß die Schaltermittel mit ihren nicht mit den Sekundäranschlüssen verbundenen Anschlüssen jeweils mit der einen Schweißelektrode verbunden sind.

Die Sekundäranschlüsse des Transformators sind also nicht mehr direkt mit den Schweißelektroden verbunden, sondern über nur in einer Richtung leitende Schaltermittel. Die Schaltermittel können dabei einzelne Schalter sein oder mehrere parallel geschaltete Schalter. Wenn im folgenden von Schalter gesprochen wird, so kann ein Schalter entweder ein einzelner Schalter sein oder aus mehreren parallel geschalteten Schaltern bestehen. Wenn hier davon die Rede ist, daß zwei Elemente "direkt" verbunden sind, so soll damit ausgedrückt werden, daß sich zwischen diesen Elementen keine weiteren Schaltelemente befinden. Nicht ausgeschlossen werden soll dabei aber, daß übliche Verbindungselemente zwischengeschaltet sind. In diesem Sinne wäre die Schweißelektrode auch dann "direkt" mit einem Schaltermittel verbunden, wenn sie mit diesem Schaltermittel über einen Stecker und eine Schweißzange verbunden ist.

Zweckmäßigerweise wird vorgesehen, daß mit zwei Sekundäranschlüssen des Transformators jeweils siwei antiparallel geschaltete Schaltermittel verbunden sind und daß jeweils eines der Schaltermittel des einen Anschlusses zusammen mit einem Schaltermittel des anderen Anschlusses gemeinsam ansteuerbar ist, so daß sie leitend werden. Das gleiche gilt dann für die beiden jeweils anderen Schalter. Durch diese Art der Ansteuerung können vielfältige Wellenformen, Modulationen usw. für

den Schweißstrom erzeugt werden, wobei falls erforderlich, auch der Ausgangsstrom des Wechselrichters entsprechend zu steuern ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die einen antiparallel geschalteten Schaltermittel in Reihe mit den Schweißelektroden und die anderen antiparallel geschalteten Schaltermittel parallel zu den Schweißelektroden geschaltet sind und die andere der Schweißelektroden direkt mit einem Sekundäranschluß des Transformators verbunden ist.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungform ist vorgesehen, daß alle Schaltermittel in Reihe mit den Schweißelektroden geschaltet und mit der einen Schweißelektrode verbunden sind, während die andere Schweißelektrode mit einem sekundärseitigen Mittelabgriff des Transformators verbunden ist.

Noch eine andere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß sie zwei Transformatoren aufweist, deren Sekundäranschlüsse jeweils mit einem Schaltermittel verbunden sind, deren nicht mit den Sekundäranschlüssen verbundene Anschlüsse mit der einen Schweißelektrode direkt verbunden sind, wobei jeweils die beiden Schaltermittel, die mit jedem Transformator verbunden sind, mit denselben mit gleicher Polarität verbunden sind, und wobei jeweils die beiden Schaltermittel, die mit einander entsprechenden Sekundäranschlüssen verbunden sind, mit denselben mit unterschiedlicher Polartität verbunden sind, und daß die andere Schweißelektrode direkt mit den sekundärseitigen Mittelabgriffen der Transformatoren verbunden ist. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die beiden Transformatoren primärseitig parallel geschaltet und mit demselben Wechselrichter verbunden. Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist für jeden der beiden Transformatoren ein eigener Wechselrichter vorgesehen.

Durch entsprechendes Ansteuern, das heißt leitend machen geeigneter Schalter im Takt mit der Sekundärspannung des

Transformators bzw. der Transformatoren, können beliebige Wellenformen und Polaritäten, unter anderem auch ein pulsierender Gleichstrom für den Schweißstrom erzeugt werden. Durch geeignete Steuermaßnahmen kann der Schweißstrom moduliert werden, kann das Tastverhältnis variiert werden und können die positiven und negativen Stromamplituden getrennt eingestellt werden.

Selbst wenn durch entsprechende Ansteuerung der Schalter ein Schweißstrom erzeugt wird, der ein Gleichstrom ist oder ein Wechselstrom niedriger Frequenz ist, so transformiert der Transformator nur den Strom der höheren Frequenz, die im Wechselrichter erzeugt worden ist. Selbst wenn ein resultierender Schweißstrom von Frequenzen von z.B. 50 Hz erzeugt wird, braucht daher der Transformator nur für die höhere Frequenz des Wechselrichters, also z.B. 1 kHz ausgelegt zu sein und ist daher entsprechend kleiner und leichter.

Trotzdem können sehr unterschiedliche Kurvenformen für die Schweißspannung bzw. den Schweißstrom erzeugt werden, um so eine Anpassung an die gewünschten Schweißeigenschaften zu erhalten.

Durch die Erfindung wird der Transformator nicht durch resultierende Ströme niedriger Frequenz belastet und kann deshalb kleiner ausgebildet werden. Andererseits oder zusätzlich können durch dadurch mögliche Erweiterung des Frequenzbereichs neue schweißtechnische Möglichkeiten erschlossen werden.

Als Schalter können unterschiedliche Schalter, insbesondere auch Transistoren verwendet werden. Als besonders vorteilhaft haben sich Thyristoren erwiesen.

Im Gegensatz zur Vorrichtung des Standes der Technik entsteht dann auf der Sekundärseite des Transformators in Folge der Thyristoren Wärme durch Verlustleistung an den Thyristoren,

die aber leicht durch das ohnehin bei Robotern vorgesehene Kühlwasser abgeführt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von vorteilhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 das elektrische Prinzipschaltbild einer ersten Aus führungs form;

Fig. 2 das elektrische Prinzipschaltbild einer zweiten Aus führungs form;

Fig. 3 das elektrische Prinzipschaltbild einer dritten Ausführungsform; und

Fig. 4a und b zwei typische Wellenformen der Schweißspannung.

Das Schweißgerät der Fig. 1 sowie der Fig. 2 weist einen Mittelfrequenzumrichter 2 auf, der aus einem Netzteil 1 und einem Wechselrichter 3 besteht. Der Netzteil 1 kann mit einphasigem oder dreiphasigem Wechselstrom gespeist werden. Der im Netzteil 1 erzeugte Gleichstrom wird dann im Wechselrichter 3 in eine Wechselspannung mit einer Frequenz von typischerweise 1 kHz umgewandelt, die im Transformator 4 transformiert wird. Dabei ist der Wert von 1 kHz natürlich nur ein typisches Beispiel. An der Sekundärseite des Transformators 4 sind Thyristorschaltungen 6 und 13 angeordnet, die mit einer dazugehörigen Thyristoransteuerung 22 verbunden sind. Außerdem ist ein Primärstromsensor 10, ein Sekundärstromsensor 11, ein Spannungssensor 18, eine Steuer- und Regelelektronik 12 für den Mittelfrequenzumrichter und eine Prozeßsteuerung vorgesehen. Jede Thyristorschaltung 6 und 13 besteht aus mehreren antiparallel geschalteten Thyristoren 5, 7 bzw. 14, 15, wobei jeweils statt eines Thyristors mehrere parallel geschaltete Thyristoren vorgesehen werden können.

Mit dem Wechselrichter 3 wird die gleichgerichtete Spannung zerhackt. Der Schweißtransforraator 4 wird mit der zerhackten Spannung primärseitig gespeist. Der Sekundärstrom und die Sekundärspannung ist wahlweise geregelt oder abhängig von der Last einstellbar. Dazu dient die Steuer- und Regelelektronik 12, Strom wird durch die Stromsensoren 10 und 11 erfaßt, die Spannung wird durch den Spannungssensor 18 erfaßt, wobei die Sensoren mit der Regelelektronik 12 verbunden sind.

Die Prozeßsteuerung 19 steuert den Schweißprozeßablauf, die Thyristoren 5,7,14 und 15 und den Mittelfrequenzumrichter 2 mit Hilfe der Steuer- und Regelelektronik 12. Die Parameter ti (Dauer der positiven Halbwelle), t2 (Dauer der negativen Halbwelle), t3 (Totzeit), die Amplitude Al der positiven Halbwelle, die Amplitude A2 der negativen Halbwelle (siehe Fig. 4a und b), Kurvenform, Polarität, Schweißzeit und andere Parameter sind an der Prozeßsteuerung 19 digital (seriell oder parallel), analog oder über einen Datenbus einstellbar und erfaßbar.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung der Erfindung soll im folgenden anhand der Fig. 2 erläutert werden, wobei dem Fachmann die entsprechende Arbeitsweise der Schaltung der Fig. 1 ohne weiteres klar sein wird.

Man erhält am oberen Anschluß 23 der Last 8, die die beiden Schweißelektroden und das dazwischen angeordnete Werkstück symbolisiert, eine positive Spannung, wenn jeweils die Thyristoren 7 und 15 leitend geschaltet werden. Hat der obere Sekundäranschluß 25 des Transformators 4 positive Spannung, so fließt der Strom über den Thyristor 7 durch die Last 8 zur Mittelanzapfung 2 7 zurück, so daß der obere Anschluß 23 der Last 8 (d.h. die eine Elektrode 23) positiv ist. Ist der untere Sekundäranschluß 26 positiv, so fließt der Strom über den Thyristor 15 zum oberen Anschluß 2 3 der Last 8 und dann weiter zur Mittelabzapfung 27 der Sekundärseite des Transfor-

mators, so daß wieder der obere Anschluß 23 der Last 8 (die eine Elektrode 23) positiv ist.

Soll der obere Anschluß 23 der Last 8 bzw. die Elektrode 23 negative Spannung haben, so müssen jeweils die Thyristoren 5 und 14 leitend geschaltet werden.

Soll der Schweißstrom ein Wechselstrom sein, so ist zwischen diesen beiden Zuständen jeweils umzuschalten. Man wird ohne weiteres verstehen, daß die unterschiedlichsten Parameter des Schweißstromes durch die verschiedenen Ansteuerungsmöglichkeiten der Thyristoren variiert werden können, auch dadurch, daß die Thyristoren relativ zur einsetzenden Halbwelle auf der Sekundärseite des Transformators erst zeitverzögert eingeschaltet werden.

Bei der Ausführungsform der Fig. 1 wird der Strom vom Transformator 4 jeweils durch den Thyristor 5 oder 7 geschaltet, während die entsprechend zu schaltenden Thyristoren 14 bzw. den Freilaufstrom aufnehmen, wenn der Thyristor 5 bzw. 7 wieder abgeschlatet ist. Ein solcher Freilaufstrom tritt zwangsweise auf, da die Leitungen der Schweißelektroden 23, unvermeidbar eine Induktivität aufweisen.

Die Ausführungsform der Fig. 3 entspricht im wesentlichen in Konstruktion und Wirkungsweise derjenigen der Fig. 2. Es sind lediglich statt eines Transformators 4 zwei parallel geschaltete Transformatoren 4, 2 8 vorgesehen. Dabei entspricht der Sekundäranschluß 25 des Transformators 4 dem Sekundäranschluß 29 des Transformators 28, und der Sekundäranschluß 26 des Transformators 4 entspricht dem Sekundäranschluß 30 des Transformators 28. Die Mittelabgriffe 27 und 31 dieser beiden Transformatoren sind verbunden. Die Thyristoren 7 und 15, die mit dem Transformator 4 verbunden sind, sind mit gleicher Polarität mit demselben verbunden. Das gleiche gilt für die beiden Thyristoren 5 und 14, die mit dem Transformator 28 verbunden sind, wobei allerdings die Polarität der Verbindung

mit dem Transformator 28 entgegengesetzt der Verbindung mit dem Transformator 4 ist. Dabei sind dann die beiden einander entsprechenden Sekundäranschlüsse 25 und 29 einerseits und 26 und 30 andererseits mit einem Thyristor mit einer Polarität verbunden, die entgegengesetzt derjenigen der Verbindung des Thyristors des jeweils anderen entsprechenden Sekundäranschlusses ist.

Wie dies bereits erwähnt wurde, sind die Thyristoren nur ein, wenn auch besonders vorteilhaftes Beispiel für Schalter, die verwendet werden können.

Claims

10 Schutzansprüche

1. Vorrichtung zum Elektroschweißen mit einem Netzgleichrichter, einem sich daran anschließenden Wechselrichter, einem Transformator für den mit dem Wechselrichter erzeugten Strom, der sekundärseitig mit den Schweißelektroden verbunden ist, und mit einer Steuerung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißelektroden (23,24) mit den Sekundäranschlüssen (25,26,29,30) des Transformators (4,28) über nur in einer Richtung leitende Schaltermittel (5,7; 14,15) verbunden sind, die direkt mit den Sekundäranschlüssen (25,26,29,30) verbunden sind und daß die Schaltermittel (5,7;14,15) mit ihren nicht mit den Sekundäranschlüssen (25,26) verbundenen Anschlüssen jeweils mit der einen Schweißelektrode (23) verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit zwei Sekundäranschlüssen (25,26) des Transformators (4) jeweils zwei antiparallel geschaltete Schaltermittel (5,7;14,15) verbunden sind und daß jeweils eines der Schaltermittel (5,7;14,15) des einen Anschlusses (25,26) zusammen mit einem Schaltermittel (5,7;14,15) des anderen Anschlusses (26,25) gemeinsam ansteuerbar ist, so daß sie leitend werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einen antiparallel geschalteten Schaltermittel (5,7) in Reihe mit den Schweißelektroden (23,24) und die anderen antiparallel geschalteten Schaltermittel (14,15) parallel zu den Schweißelektroden (23,24) geschaltet sind und die andere der Schweißelektroden (24) direkt mit einem Sekundäranschluß (26) des Transformators (4) verbunden ist.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß alle Schaltermittel (5,7;14,15) in Reihe mit den Schweißelektroden (23,24) geschaltet und mit der einen Schweißelektrode (23) verbunden sind, während die andere Schweißelektrode (24) mit einem sekundärseitigen Mittelabgriff (27) des Transformators (4) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Transformatoren (4,28) aufweist, deren Sekundäranschlüsse (25,26,29,30) jeweils mit einem Schaltermittel (5,7;14,15) verbunden sind, deren nicht mit den Sekundäranschlüssen (25,26,29,30) verbundene Anschlüsse mit der einen Schweißelektrode (23) direkt verbunden sind, wobei jeweils die beiden Schaltermittel (5,14;7,15), die mit jedem Transformator (4,28) verbunden sind, mit denselben mit gleicher Polarität verbunden sind, und wobei jeweils die beiden Schaltermittel (5,7;14,15), die mit einander entsprechenden Sekundäranschlüssen (25,29;26,30) verbunden sind, mit denselben mit unterschiedlicher Polarität verbunden sind und daß die andere Schweißelektrode (24) direkt mit den sekundärseitigen Mittelabgriffen (27,31) der Transformatoren verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transformatoren (4,28) primärseitig parallel geschaltet und mit demselben Wechselrichter (3) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transformatoren (4,28) mit je einem separaten Wechselrichter (3) verbunden sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltermittel (5,7;14,15) einzelne Schalter (5,7;14,15) aufweisen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltermittel (5,7;14,15) mehrere parallel geschaltete Schalter (5,7;14,15) aufweisen.

10» Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltermittel (5,7;14,15) Thyristoren aufweisen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstrom moduliert wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhältnis der negativen und positiven Halbwelle variiert wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die positiven und negativen Stromamplituden getrennt eingestellt werden.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der positiven und negativen Halbwelle (tl,t2) sowie die Totzeit (t3) veränderbar sind.