DE3230053C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleichstrom-Lichtbogenschweiß­ gerät mit einer Gleichstromversorgungsquelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE-OS 22 58 656 ist eine Regelschaltung für eine Schweißstromquelle bekannt, in der u. a. die zwischen Schweißelektrode und dem zu schweißenden Material liegen­ de Spannung berücksichtigt wird. Im Schweißstromkreis ist in Serie zu diesem ein Schweißstromdetektor angeordnet und es wird der tatsächlich fließende Schweißstrom (Ist­ wert) in der Vergleichs- und Steuerschaltung mit einer Referenzgröße verglichen. Das Ausgangssignal dieser Schaltung wird zur Erzeugung eines impulsdauer-modulier­ ten Signals herangezogen, welches einem Impulsverstärker zugeführt wird. Dieser Impulsverstärker steuert einen Leistungsschalter, welcher in Reihe zum Schweißstromkreis liegt. Außerdem ist im Schweißstromkreis eine Drossel vorhanden, die die Aufgabe hat, während der Schließphase des Leistungsschalters Energie zu speichern, die dann während seiner Öffnungsphase an den Schweißstromkreis abgegeben wird.

Weiter ist parallel zur Schweißstrecke ein steuerbarer Schalter angeordnet, der dann schließt, wenn der Lei­ stungsschalter geöffnet wird und der dann öffnet, wenn der Leistungsschalter geschlossen wird. Dies hat zur Fol­ ge, daß die in der Drosselspule gespeicherte Energie wäh­ rend dieser Öffnungsphase des Leistungsschalters an die Schweißstrecke abgegeben wird. Beim Schließen des Lei­ stungsschalters wird magnetische Energie in der Drossel­ spule gespeichert.

Die bekannte Regelschaltung hat einen vergleichsweise komplizierten Aufbau und sie erfordert eine Drosselspule mit vergleichsweise hoher Induktivität in dem Schweiß­ stromkreis, was zu starken Erwärmungen führen kann. Außerdem benötigt diese bekannte Regelschaltung zusätz­ lich zum Leistungsschalter einen steuerbaren Halbleiter­ schalter, welcher den in der Drosselspule gespeicherten Energieinhalt aufnehmen muß, wenn der Leistungsschalter geöffnet ist. Ein solcher steuerbarer Halbleiterschalter hat aber den Nachteil, daß beim Überschreiten einer Durchbruchspannung, zum Beispiel infolge von Überlastung, ein Kurzschluß entsteht, welcher die Gleichstromversor­ gungsquelle zu stark belastet.

Ein Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerät des genannten Typs ist auch aus der älteren DE-OS 32 28 552 bekannt und in Fig. 1 gezeigt, in der eine Gleichstromquelle mit einem Schweißtransformator mit 1 und ein Schalterelement mit 2 bezeichnet ist zur Steuerung des Ausgangsstromes der Stromquelle 1, während Ausgangsanschlüsse des Schweißge­ rätes mit 3 und 4 bezeichnet sind.

Mit 5 ist ein Kontaktchip und mit 6 eine sich verbrau­ chende Schweißelektrode (die im folgenden als "der Draht" bezeichnet wird) bezeichnet, welcher elektrische Energie über den Kontaktchip 5 zugeführt wird. Das zu schweißende Material 8 (im folgenden als "Basismetall" bezeichnet) ist mit dem Ausgangsanschluß 4 verbunden. Es werden Licht­ bögen 7 zwischen dem Draht 6 und dem Basismetall 8 her­ gestellt. Ein Stromdetektorelement 9, wie beispielsweise ein Shuntwiderstand, ist mit einer Ausgangsstrom-Steuer­ schaltung 17 gekoppelt, um das Ausgangssignal des Detek­ torelements 9 abhängig von der Ausgangsgröße einer arith­ metischen Schaltung 11 zu steuern. Die arithmetische Schaltung 11 besteht aus einem Operationsverstärker 12, einem Widerstand 13, der zwischen einem Invertierungsan­ schluß des Verstärkers 12 und einer Ausgangsspannung-Ein­ stellschaltung 10 angeordnet ist und aus einem veränder­ baren Widerstand bestehen kann, ferner aus einem Wider­ stand 14, der zwischen dem Ausgangsanschluß 3 und dem invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 12 an­ geordnet ist, einem Widerstand 15, der zwischen einem Ausgangsanschluß des Verstärkers 12 und dem invertieren­ den Eingangsanschluß desselben angeordnet ist, und aus einem Kondensator 16, der zum Widerstand 15 parallel ge­ schaltet ist. Mit 18 ist eine Treiberschaltung zum Ver­ stärken der Ausgangsgröße der Steuerschaltung 17 bezeich­ net und sie steuert den Ein-Ausbetrieb des Schalterele­ ments 12.

Im folgenden soll die Betriebsweise dieses Gleichstrom- Lichtbogenschweißgerätes nach Fig. 1 erläutert werden.

Ein Ausgangsspannung-Einstellsignal e _s der Ausgangs- Einstellvorrichtung 10 und ein Ausgangsspannungs-Rück­ kopplungssignal e _vf werden in dem Verstärker 12 einem Vergleich und einer Verstärkung unterzogen. Das Ausgangs­ signal e _vo der arithmetischen Schaltung 12 und das Aus­ gangsstromsignal e _if des Ausgangsstrom-Detektorelements 9 werden in der Ausgangsstrom-Steuerschaltung 17 verar­ beitet, um ein Signal e _io zu erzeugen, welches der fol­ genden Treiberschaltung 18 zugeführt wird, so daß das Si­ gnal e _if , welches dem Ausgangssignal e _vo entspricht, immer zur Verfügung steht. Die Treiberschaltung 18 treibt das Schaltelement 2 in Abhängigkeit von dem zuvor erläu­ terten Signal e _io . Wenn das Schaltelement 2 wiederholt in den leitenden Zustand (EIN) und den nicht leitenden Zustand (AUS) geschaltet wird, fließt ein Strom von der Gleichstromversorgungsschaltung 1 über das Schalterele­ ment 2, den Ausgangsanschluß 3, das Kontaktchip 5, den Draht 6, den Lichtbogen 7, das Basismetall 8, den Aus­ gangsanschluß 4 und das Ausgangsstrom-Detektorelement 9 zurück zur Gleichstromversorgungsschaltung. Der genannte Ausgangsstrom wird zur Ausgangsstrom-Steuerschaltung 17 durch das Ausgangsstrom-Detektorelement 9 in Form eines Ausgangsstromsignals e _if rückgekoppelt. In dieser Schaltung stellt das Ausgangsstrom-Einstellsignal das Ausgangssignal e _vo der arithmetischen Schaltung 11 dar. Das Ausgangsstrom-Einstellsignal e _vo wird so bestimmt, daß das Ausgangsspannung-Rückkopplungssignal e _vf kon­ stant gehalten wird, und zwar ungeachtet des Lichtbogenzu­ standes (das Ausgangsspannung-Einstellsignal e _s ist konstant). Daher ist auch die Spannung zwischen den Aus­ gangsanschlüssen 3 und 4 ungeachtet der zwischen diesen Anschlüssen liegenden Last konstant. Bei Auftreten eines Kurzschlusses zwischen dem Draht 6 und dem Grundmetall 8 und beim momentanen Schicken eines großen Stromes in den Draht 6 durch die Steuerschaltung fließt zum Konstantre­ geln der Spannung zwischen den Anschlüssen in den Draht 6 ein Strom, der größer ist als der geforderte Strom. Da­ durch schmilzt der Draht teilweise und zerspritzt in al­ len Richtungen (im folgenden als "Zerspritzen" bezeich­ net). Aufgrund dieses Zerspritzens wird der Abstand zwi­ schen dem Draht 6 und dem Grundmetall 8, unmittelbar nach dem Beseitigen des Kurzschlusses (im folgenden als Licht­ bogenlänge bezeichnet), vergrößert, was dann zu einem un­ stabilen Lichtbogenzustand und schließlich zum Erlöschen des Lichtbogens führt. Dabei kann das abgespritzte Metall an dem Grundmetall 8 anhaften. Es ist schwierig, dieses Metall wieder zu entfernen. Aus diesem Grund ist ein Zeitverzögerungselement, wie beispielsweise ein Kondensa­ tor 16, in der arithmetischen Schaltung 11 vorgesehen, so daß das Ausgangssignal e _vo sich mit der Verzögerungs­ zeit abhängig von einer plötzlichen Änderung des Aus­ gangsspannung-Rückkopplungssignals e _vf ändert. Als Er­ gebnis wird der Ausgangsstrom nicht plötzlich erhöht, sondern wird allmählich erhöht, abhängig von der Ausbil­ dung des Kurzschlusses zwischen dem Draht 6 und dem Grundmetall 8. Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Ausgangsspannung-Rückkopplungssignal e _vf , dem Ausgangs­ spannung-Einstellsignal e _s , dem Ausgangssignal e _vo und dem Ausgangsstrom I.

Es ist zu berücksichtigen, daß dann, wenn der Änderungs­ wert des Ausgangsstromes im Falle eines Kurzschlusses zwischen dem Draht 6 und dem Grundmetall 8 derart erzeugt wird, daß der Änderungswert in einem kleinen Strombereich größer ist als derjenige in einem großen Strombereich, ein stabiler Lichtbogenzustand über den gesamten Be­ triebsbereich hinweg erhalten werden kann und ein Ab­ spritzen bzw. Zerspritzen kaum auftreten kann. Da bei dem zuvor erläuterten Gerät der Änderungswert konstant ge­ macht wird, wenn der Kondensator 16 vorgesehen ist, um den Lichtbogen in dem kleinen Strombereich stabil zu machen, kann eine große Menge von abspritzendem Metall im großen Strombereich die Folge sein. Wenn andererseits der Kondensator 16 vorgesehen ist, um den Lichtbogen in dem großen Strombereich stabil zu machen, kann der Lichtbo­ genzustand im kleinen Strombereich dann unstabil werden. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Zer­ spritzen der Schweißelektrode und dem Schweißwerkstück möglichst und weitgehend zu vermeiden, wobei die An­ stiegsgeschwindigkeit des Schweißstromes bei Kurzschlüs­ sen in einem großen Strombereich selbsttätig verändert werden soll, und zwar derart, daß plötzliche, durch Kurz­ schluß bedingte Stromänderungen nicht unmittelbar und plötzlich weitergeleitet werden. Dies bedeutet, daß die Anstiegsgeschwindigkeit des Schweißstromes bei Kurz­ schlüssen verringert werden soll.

Aus der DE-OS 27 28 980 ist ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Lichtbogenschweißen mit prozeßabhängiger Kennliniensteuerung der Schweißenergiequelle bekannt. Das wesentliche dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß eine hinsichtlich der Kennlinie umschaltbare Schweiß­ energiequelle vorgesehen ist, die jeweils auf Anforderung des Schweißprozesses von ihrer programmierten Betriebs­ kennlinie auf mindestens eine von der Betriebskennlinie verschiedene programmierte Anforderungskennlinie jeweils für die Dauer der Anforderung umgeschaltet wird, wobei die Anforderung des Schweißprozesses dadurch definiert ist, daß mindestens eine elektrische Betriebsgröße des Schweißprozesses ein vorgegebenes Toleranzfeld verläßt.

Die Anforderungskennlinien betreffen einerseits den Strom und andererseits die Spannung bzw. beide Größen in Form eines Produktes aus Spannung und Strom, so daß eine drit­ te Variante die Leistung darstellt. Dabei kann entweder mit einer Konstantstromcharakteristik gearbeitet werden, wobei dann die Spannung entsprechend verändert wird, oder es kann mit einer Konstantspannungscharakteristik gear­ beitet werden, wobei dann zwangsläufig der Strom geändert werden muß, um eine Kennlinienumschaltung vorzunehmen.

Aus der EP 00 12 576 ist eine Kopplungsanordnung für ein Gleichstrom-Schweißgerät bekannt, wobei die Kopplungsein­ richtung eine steuerbare schnell ansprechende Gleich­ spannungsquelle umfaßt. Ferner sind erste Schaltkreisele­ mente vorgesehen, um sowohl den Laststrom als auch die Lastspannung zu erfassen und zu überwachen und um diesen Größen entsprechende Spannungssignale zu erzeugen. Mit Hilfe von zweiten Schaltkreiselementen wird ein Steuer­ signal abhängig von den Spannungssignalen erzeugt, um im Falle eines Kurzschlußzustandes das Stromanstiegsverhält­ nis auf einen gewünschten Wert zu bringen. Mit Hilfe von dritten Schaltkreiselementen, die das Steuersignal emp­ fangen, wird eine Steuerung der Spannungsquelle abhängig von den Steuersignalen durchgeführt. Diese bekannte Kopp­ lungseinrichtung ist somit dafür ausgebildet, die Strom­ amplitude von Schweißstromimpulsen abhängig von bestimm­ ten Bedingungen des Schweißspaltes (sh. beispielsweise einem Kurzschlußzustand) einzustellen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerät der angegebenen Gattung derart auszubilden, daß ein Zerspritzen der Schweißelektrode bei Kurzschlüssen zwischen der Schweiß­ elektrode und dem zu schweißenden Material weitgehend vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kenn­ zeichnungsteil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß ist die Vergleichs- und Steuerschaltung mit einer steuerbaren Schaltungsanordnung versehen, bei der mit Hilfe mindestens eines steuerbaren Halbleiter­ schalters Elemente zuschaltbar sind, die die Anstiegsge­ schwindigkeit des Ausgangssignals verändern, wenn das Ausgangssignal einen vorgegebenen Wert übersteigt. Durch diese besondere Ausbildung des Gleichstrom-Lichtbogen­ schweißgerätes wird ein besonders stabiler Schweißbetrieb realisiert und es wird das Abspritzen von Metallteilchen innerhalb eines breiten Stromgrößenbereiches wirksam ver­ hindert.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun­ gen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 3.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläu­ tert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines älteren Beispiels eines Gleichstrom-Lichtbogen­ schweißgeräts;

Fig. 2 ein Diagramm, welches die Beziehung zwi­ schen einem Referenzwert e _s , einer Spannung e _vf , einem Ausgangssignal e _vo und einem Ausgangsstrom I der Schaltung nach Fig. 1 wiedergibt;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Aus­ führungsbeispiels mit Merkmalen nach der Erfindung; und

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines anderen Ausfüh­ rungsbeispiels mit Merkmalen nach der Er­ findung.

Ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Gleich­ strom-Lichtbogenschweißgeräts mit Merkmalen nach der Er­ findung ist in Fig. 3 veranschaulicht, wobei alle Teile, die bereits unter Hinweis auf Fig. 1 beschrieben wurden, in ähnlicher Weise nummeriert bzw. mit Bezugszeichen ver­ sehen sind. Zusätzlich bezeichnen die Bezugszeichen 19 und 20 Widerstände, die eine Reihenschaltung zwischen dem Ausgangsanschluß des Verstärkers 12 und Masse oder Erde bilden, während mit 21 ein Transistor bezeichnet ist, dessen Basis mit der Verbindung zwischen den Wider­ ständen 19 und 20 verbunden ist, dessen Emitter mit dem Ausgang des Verstärkers 12 und dessen Kollektor über einen Widerstand 22 mit Masse oder Erde verbunden ist. Ein Kon­ densator 23 ist zwischen den invertierenden Eingangsan­ schluß des Verstärkers 12 und den Kollektor des Tran­ sistors 21 geschaltet.

Im folgenden soll nun die Betriebsweise des Gerätes gemäß Fig. 3 beschrieben werden. Bei der Schaltung nach Fig. 3 ist das Ausgangssignal e _vo größer als Null. Wenn das Aus­ gangssignal e _vo größer wird, so wird auch der Ausgangs­ strom I anwachsen. Für den Fall, daß das Ausgangssignal e _vo relativ klein ist (der Ausgangsstrom I ist relativ klein), ist die über dem Widerstand erscheinende Spannung kleiner als diejenige, die ausreichend ist, um den Tran­ sistor 21 in den leitenden Zustand zu bringen und folglich bleibt der Transistor 21 im nicht leitenden Zustand. Dann wird entsprechend einer Verzögerungszeit, die durch den Kondensator 16 festgelegt ist, die Vergleichs- und Steuerschaltung 11 in Betrieb gesetzt, um einer plötzlichen Änderung der Spannung e _vf entgegen zu wirken. Als Folge erhält die Anstiegskennlinie des Aus­ gangsstromes eine relativ scharfe Änderung. Wenn anderer­ seits das Ausgangssignal e _vo relativ groß ist (der Aus­ gangsstrom I ist dann relativ groß), wird die Spannung über dem Widerstand 19 größer als diejenige, die erforderlich ist, um den Transistor 21 leitend zu machen, und daher wird der Transistor 21 in den leitenden Zustand ge­ bracht. Nach Eintreten dieses Leitzustandes wird der Kon­ densator 23 parallel zum Kondensator 16 geschaltet. Dem­ zufolge arbeitet dann die Vergleichs- und Steuerschaltung 11, indem sie auf eine plötzliche Änderung in der Spannung e _vf anspricht, mit einer Zeitver­ zögerung, die durch die Kondensatoren 16 und 23 bestimmt wird. Als Ergebnis erhält die Anstiegskennlinie des Aus­ gangsstromes I eine relativ langsame oder mäßige Änderung. Wie beschrieben wurde, kann man durch Einstellen des Wi­ derstandsverhältnisses der Widerstände 19 und 20 auf einen gewünschten Wert die Anstiegsgeschwindigkeit des Ausgangsstromes auf einen gewünschten Wert verändern. Damit ist ein sta­ biler Schweißbetrieb möglich, bei dem das Ausmaß des Zer­ spritzens gering bleibt, und zwar über einen breiten Strom­ bereich hinweg.

Obwohl die Anstiegsgeschwindigkeit des Ausgangsstromes bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 nur einmal geändert wird, kann man gemäß Fig. 4 die Anstiegsgeschwindigkeit dieses Stromes viele Male ändern, indem man zusätzliche Transistoren wie bei 26 (Fig. 4) zusammen mit zugeordne­ ten Widerständen 24, 25, 27 und Kondensatoren 28 vorsieht.

Obwohl bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein pnp- Transistor verwendet wird, läßt sich eine ähnliche Funk­ tion auch erhalten, indem man ein Schalterelement in Form eines FETs verwendet.

Es ergibt sich aus der vorangegangenen Beschreibung, daß erfindungsgemäß die Verzögerungszeit der Vergleichs- und Steuer- Schaltung 11 abhängig von der Änderung eines Ausgangs­ stromes verändert wird, so daß die Anstiegsgeschwindigkeit des Ausgangsstromes auf einen ge­ eigneten Wert gegenüber dem Ausgangsstrom eingestellt wird.

Daher wird bei dem Schweißgerät mit Merkmalen nach der Erfindung ein stabiler Schweißbetrieb ermöglicht, bei welchem das Abspritzen von Metallteilchen nicht sehr häufig auftritt, und zwar über den gesamten Schweißstrom­ bereich hinweg.

Claims (3)

1. Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerät mit einer Gleich­ stromversorgungsquelle (1), die über ein Stromschalt­ element (2) mit einer Schweißelektrode (6) und dem zu schweißenden Material (8) verbindbar ist, mit einem im Schweißstrompfad angeordneten Schweißstromdetektor (9), mit einer Vergleichs- und Steuerschaltung (10, 11), in der die Spannung (e _vf ) zwischen der Schweißelektrode (6) und dem Schweißmaterial (8) mit einem Referenzwert (e _s ) verglichen wird, und deren Ausgangssignal (e _vo ) zusammen mit dem Stromwert­ signal (e _if ) des Schweißstromdetektors (9) zur Bil­ dung eines Signals (e _io ) für das Stromschaltelement (2) herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichs- und Steuerschaltung (10, 11) mit einer steuerbaren Schaltungsanordnung (15, 16, 23, 19, 20, 21, 22, 28, 24, 25, 26, 27) versehen ist, bei der mit Hilfe mindestens eines steuerbaren Halbleiterschal­ ters (21, 26) Elemente (23, 19, 20, 22; 28, 24, 25, 27) zuschaltbar sind, die die Anstiegsgeschwindigkeit des Ausgangssignals (e _vo ) verkleinern, wenn das Ausgangssignal (e _vo ) einen vorgegebenen Wert über­ steigt.

2. Gleichstrom-Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Schaltungsanordnung mehrere zwischen Ein­ gang und Ausgang der Vergleichs- und Steuerschaltung (11) schaltbare Kondensatoren (23, 28) aufweist, die jeweils in Reihe mit dem steuerbaren Halbleiterschal­ ter (21, 26) angeordnet sind, dessen Steuerelektrode über einen entsprechenden Spannungsteiler (19, 20; 24, 25) mit dem Ausgang der Vergleichs- und Steuerschal­ tung (11) verbunden ist.

3. Schweißgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Halbleiterschalter Transistoren sind.