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Verfahren und Gerät zum Schweißen eines Werkstückes mittels Mehrphasen-Wechselstrom
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Gerät zum Schweißen mittels Mehrphasen-Wechselstrom
und zwei oder mehreren hintereinandergeführtenSchweißelektroden (Tandemanordnungder
Schweißelektroden), wobei die letztgeführte oder nachlaufende Schweißelektrode,
bezogen auf die Schweißrichtung, dazu verhalten wird, mit überwiegender Vorlaufkomponente
in Richtung des Schweißschrittes zu vibrieren. Dies wird dadurch erreicht, daß eine
unsymmetrische Phasenverteilung zwischen den Schweißströmen herbeigeführt wird,
welch letztere in entsprechender Zuordnung den Elektroden und dem Werkstück zugeführt
werden. Mehr im einzelnen gesehen betrifft die Erfindung ein Schweißverfahren nebst
Gerät, bei dem mindestens zwei schmelzbare metallische Schweißelektroden verwendet
werden, die gleichzeitig in ein gemeinsames Schmelzbad aus Schweißmetall vorgeschoben
werden, während der Schweißstelle durch eine einzige dreiphasige elektrische Stromquelle
phasenverschobene Wechselströme zugeführt werden. Die Erfindung eignet sich sehr
gut für Eintauchschmelzschweißungen, d. h. Schweißvorgänge, die unter einer Deckschicht
eines körnigen Flußmittels vor sich gehen; dieselbe ist jedoch keineswegs auf diese
Schweißart allein beschränkt, sondern läßt sich auch für Schweißungen unter Schutzgas
anwenden, bei denen ein chemisch inaktives Gas verwendet wird, wie andererseits
auch für Schweißungen mit offenem oder blankem Lichtbogen.
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Für Doppel- oder Mehrfachelektrodenschweißung (Tandemanordnung der
Schweißelektroden), d. h. ein Schweißverfahren, bei dem eine Anzahl hintereinandergeführter
metallischer Schweißelektroden in ein gemeinsames
Schmelzbad aus
Schweißmetall vorgeschoben wird und bei dem die Schweißelektroden längs der gleichen
Schweißnaht oder Stoßfuge aufeinanderfolgen, wurde bereits vorgeschlagen, derartige
Elektroden dadurch energiemäßig zu speisen, daß man entweder zwei Schweißelektroden
Gleichstrom zuführt oder daß zwei bzw. drei Schweißelektroden mit Wechselstrom beschickt
werden oder daß einer Elektrode Wechselstrom und einer anderen Elektrode Gleichstrom
zugeführt wird. Alle diese bereits früher gemachten Vorschläge sind jedoch mit Schwierigkeiten
und Nachteilen verbunden, die im folgenden näher auseinandergesetzt werden.
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Wenn der für den Schweißvorgang notwendige Gleichstrom durch einen
Schweißumformersatz (Motorgenerator) geliefert wird, dann ist die Auswahl der Schweißausrüstung
sowie die Steuerung und Instandhaltung derselben schwierig infolge der dabei geforderten
starken Schweißströme und des nahezu ununterbrochenen periodischen Nutzleistungsarbeitsganges
der üblichen Tandemschweißanordnung. Der Hauptnachteil der Zuführung von Gleichstrom
an zwei Schweißelektroden liegt jedoch in der Empfindlichkeit der Schweißzone gegenüber
magnetischen Störungen. Dem kann dadurch etwas entgegengewirkt werden, daß man einer
der Schweißelektroden, und zwar vorzugsweise der hinteren oder nachfolgenden Schweißelektrode,
anstatt Gleichstrom Wechselstrom zuführt. Die obenerwähnten magnetischen Störungen
können praktisch ganz ausgeschaltet werden, wenn sämtlichen Schweißelektroden ein
Mehrphasen--Wechselstrom zugeführt wird.
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Wenn die Schweißelektroden mit dreiphasigem Schweißstrom gespeist
werden, der über die Sekundärseite eines Schweißtransformators zugeführt wird, «-elch
letzterer in Stern geschaltet ist und eine Phasenverschiebung von 6o oder i2o" (e1.
Grade) zwischen drei Schweißlichtbögen erzeugt, wie dies bislang bereits vorgeschlagen
wurde, dann werden die magnetischen Störungen in der Schweißzone zwar auf ein Minimum
herabgesetzt, jedoch vibrieren dann die Lichtbögen einander anziehend und abstoßend
in Richtung des Schweißschrittes, und zwar mit einer überwiegend nachschleppenden
Komponente. Um ein besseres und rascheres Schweißen zu erzielen, muß jedoch die
überwiegende Komponente mindestens eines der Lichtbögen im Vorlauf begriffen sein,
d. h. der Lichtbogen muß mit überwiegender Komponente nach vorn gezogen «erden oder
der Schweißzone vorauseilen. Ein derartiges in Stern geschaltetes Mehrphasensystem
spricht außerdem in unerwünscht empfindlicher Weise auf Spannungsschwankungen der
Primärseite sowie auf höhere Harmonische an und leidet außerdem unter dem Mangel
einer Einzelsteuerung, mittels deren der Grad der Durchdringung oder des Einbrandes
reguliert werden kann. Weiterhin ist die Phasenverschiebung zwischen den drei Lichtbögen
stets dieselbe, d. h. entweder 6o oder i2o°, wodurch die Zweckdienlichkeit dieser
Svstemanordnung für einen weiter gezogenen Anwendungsbereich beschränkt wird. Darüber
hinaus sind Sternschaltungen im allgemeinen unerwünscht infolge der sich dabei urgebenden
Spannungserfordernisse im Primärkreis sowie der Ausgangsspannung im Sekundärkreis,
wie sie jeweils durch die zur Verfügung stehende Schweißtransformatoreneinrichtung
bedingt ist.
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Ein anderes Problem beim Lichtbogenschweißen ist die Steuerung der
von dem Lichtbogen cingenommenen Richtung, wenn der letztere durch umgebende magnetische
Felder beeinflußt wird. Es ist bereits vorgeschlagen worden, einen Gleichstron-lichtbogen
durch einen nachfolgenden Wechselstromhchtbogen zusteuern. In diesem Falle wurde
jedoch die Schweißtone durch diel umgebenden magnetischen Verhältnisse I in einem
derartigen Ausmaße beeinträchtigt, daß der Schweißvorgang nicht stabilisiert werden
konnte.
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Der Hauptzweck vorstehender Erfindung besteht demgemäß darin, ein
verbessertes Mehrfachlichtbogenschweißverfahren mit Mehrphasen-Wechselstrom zu entwickeln,
das die Schwierigkeiten und Nachteile der bislang bekannten Verfahrensarten beseitigt.
Weiterhin soll durch die Erfindung eine einfache Schaltung vorgesehen werden, durch
die der Schweißvorgang derart leicht und rasch reguliert sowie stabilisiert werden-
kann, daß einerseits der sich dabei ergebende Schweißeinbrand hinsichtlich dessen
Tiefe i und andererseits die Schweißform hinsichtlich deren äußerer Umrißgestaltung
verbessert werden. Insbesondere ist das Verfahren gemäß vorstehender Erfindung dort
anwendbar, wo ein Werkstück mittels eines Mehrphasen-Wechselstromes geschweißt wird,
dessen einzelne Phasen mit dem Werkstück und mehreren Schweißelektroden elektrisch
verbunden sind, welch letztere längs der Schweißrichtung angeordnet sind, sowie
dort, wo während eines fortschreitenden Vorrückens des Werkstückes oder der Schweißelektroden
in der Schweißrichtung die Lichtbögen der voneinander getrennten Schweißelektroden
gegen eine gemeinsame Schmelzzone hin gerichtet werden. Der letztere Vorgang kann
gewünschtenfalls durch eine automatische und voneinander unabhängige Vorschubbewegung
der Schweißelektroden verwirklicht werden, so daß jeweils eine gewünschte Schweißspannung
beibehalten wird.
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Gemäß Erfindung wird die Phasenverschiebung der Schweißströme eines
benachbarten Schweißelektrodenpaares derart geregelt, daß mindestens einer der Lichtbögen
zu einer Vibrationsschwingung mit überwiegender Vorlaufkomponente in der Schweißrichtung
verhalten wird. i Die ungleiche induktive Reaktanz kann beispielsweise durch Verwendung
einer Regulierdrosselspule erhalten werden, die mindestens mit der zu dem Werkstück
hinführenden Zuleitung in Serie geschaltet ist. Die Schaltverbindungen müssen dabei
so gemacht sein, daß der Phasenumlauf an der Schweißzone normal ist, d. h. wenn
der Strom, der der vorderen oder vorlaufenden Schweißelektrode zugeführt wird, der
Phase A entspricht, dann muß der der hinteren oder nachfolgenden Schweißelektrode
zugeführte Strom der Phase B und der dem Werkstück zugeführte Strom der Phase C
entsprechen. Für jede Schweiß- oder Schweißstabelektrode ist zwecks deren Vorschubbewegung
eine besondere Lichtbogenspannungsregelung vorgesehen, da man gern die Möglichkeit
hat, sowohl die Schweißspannung als auch den Schweißstrom
an jeder
Elektrode getrennt einzuregulieren. Die in der Zuleitung zu dem Werkstück eingebaute
Regulierdrosselspule macht eine genaue Einstellung des Stromes in diesem Stromkreis
möglich.
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Die in die Zuleitung in dem Werkstück eingebaute Regulierdrosselspule
gibt sonach ein Mittel an die Hand, um einerseits den Phasenverschiebungswinkel
zwischen den Strömen der vorlaufenden und der nachfolgenden Schweißelektrode einzustellen
und um andererseits auch die Größe des nach dem Werkstück zufließenden Stromes derart
einregulieren zu können, daß dadurch der an der nachfolgenden Schweißelektrode gezogene
Lichtbogen mehr nach einer Vorlaufstellung in Richtung des Schweißschrittes hin
vibriert, und zwar ohne Rücksicht auf äußere Umstände, die sonstwie den Lichtbogen
beeinflussen würden. Das Ergebnis dabei ist, daß die Schweißgeschwindigkeit gegenüber
früheren, mit Wechselstrom betriebenen Schweißanordnungen erheblich gesteigert wird.
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Elektrisch gesehen zeigt die neuartige Systemanordnung zahlreiche
Vorteile, wie beispielsweise eine relative Unempfindlichkeit gegenüber Spannungsschwankungen
auf der Primärseite, ferner praktisch ausgeglichene Netzbelastungen bei einem hohen
Leistungsfaktor (cos 99) sowie einen hohen Wirkungsgrad der Stromtransformation
bei praktisch keinerlei Leerlaufverlusten. Vom Instandhaltungsstandpunkt aus gesehen
erfordern die Transformatoren praktisch keinerlei Wartung im Gegensatz etwa zu einem
Umformersatz (Motorgenerator), wenn derselbe unter den üblichen Werkstattbedingungen
als Schweißumformer arbeitet. Vom schweißtechnischen Standpunkt aus gesehen läßt
sich sagen, daß durch die neuartige Systemanordnung Schweißungen mit wesentlich
höheren Schweißgeschwindigkeiten erzielt werden, wobei diese Schweißungen eine gute
Schweißraupenform und keine Unterschneidungen zeigen, da eine konstante, leicht
regelbare Schweißstromzuführung vorgesehen ist. Die magnetischen Störungen des Lichtbogens
und die dadurch anfallenden Probleme zur Eindämmung dieser Störungen sind durch
vorstehende Erfindung in weitem Ausmaße überwunden. Die durch die Regulierdrosselspule
vorgesehene Stromsteuerung in dem zu dem Werkstück hinführenden Stromkreis gestattet
ferner eine Kontrolle des Schweißeinbrandes und der Schweißform, was bislang nicht
vorgesehen war. Weitere Vorteile bestehen in einer genaueren Regulierung des Schweißeinbrandes,
einem höheren Wirkungsgrad, gemessen an der handwerklichen Geschicklichkeit für
die Durchführung einer, vollständigen Schweißnaht, sowie in der Möglichkeit, zufriedenstellende
Schweißungen bei höheren Schweißgeschwindigkeiten zu erhalten, als dies mit den
bislang bekannten Verfahren möglich war.
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Praktisch kann sowohl die geschlossene Dreieckschaltung als auch die
offene Dreieck- oder V-Schaltung empfohlen werden, wobei der Vorteil der Dreieckschaltung
einerseits in der unabhängigen Regulierung des dem Werkstück zugeführten Stromes
besteht, durch den der Grad des Einbrandes geändert werden kann, und andererseits
in der Unempfindlichkeit dieser Systemschaltung gegenüber primären Spannungsschwankungen
sowie in der Unterdrückung von höheren Harmonischen. Bei der offenen Dreieck-oder
V-Schaltung wird eine unabhängige Regulierung des dem Werkstück zugeführten Stromes
dadurch erhalten, daß auch in die Zuleitung zu dem Werkstück eine verstellbare Drosselspule
eingeschaltet wird. Die Dreieckschaltungen sind speziell für Rohrschweißungen zu
empfehlen, wo eine genaue Steuerung des Schweißvorganges erwünscht ist.
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In den Zeichnungen sind Fig. z und 3 Schaltbilder einer in geschlossener
Dreieckschaltung gebildeten Systemanordnung, durch die die Erfindung veranschaulicht
wird, Fig. 2 und 4 Schaltbilder einer Abänderungsform, bei der nur zwei Transformatoren
in offener Dreieck-oder V-Schaltung benutzt werden, Fig. 5 ein bruchweise dargestellter
Querschnitt der Schweißzone, Fig.6 ein Vektordiagramm der Schweißströme. Wie aus
Fig. r zu ersehen, sind drei Schweißtransformatoren io, 12 und 14 mit ihren Primärwicklungen
16, 18 und 2o in Dreieck geschaltet und in dieser geschlossenen oder verketteten
Dreieckschaltung über Eingangsstromkreise, in denen die Schalter 28, 30 und 32 liegen,
an die Leitungen 22, 24 und 26 eines Drehstromnetzes angeschlossen. In den Eingangsstromkreisen
sind die beiden Wattmeter 34, 36 mit angeschlossen, die die zugeführte elektrische
Gesamtleistung messen. Die Sekundärwicklungen 38, 40 und 42 der Transformatoren
io, 12 und 14 sind durch die Leiter 44, 46 und 48 gleichfalls in geschlossener Dreieckschaltung
verkettet und außerdem durch geeignete Stromzuleitungen 56, 58 und 6o in entsprechender
Zuordnung an die Schweißelektroden 5o und 52 sowie an das zu schweißende Werkstück
54 angeschlossen. In die Stromzuleitungen 56, 58 und 6o sind dabei veränderliche
induktive Widerstände oder Regulierdrosselspulen 62, 64 und 66 eingeschaltet sowie
die Amperemeter 68, 70 und 72. Die verketteten Spannungen zwischen den Stromzuleitungen
56, 58 und 6o werden jeweils durch Voltmeter 74, 76 und 78 gemessen.
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Es wird darauf hingewiesen, daß die stromregulierenden Reaktanzen
oder Drosselspulen in den Sekundärabgangsleitungen liegen, wodurch es möglich gemacht
ist, Schweißtransformatoren zu verwenden, bei denen die Ausgangsleistung durch einen
in Serie geschalteten induktiven Blindwiderstand gesteuert wird, der von der Transformatorenwicklung
getrennt ist. Schweißtransformatoren mit getrennt eingebauten Drosselspulen sind
insofern sehr geeignet, als dadurch die notwendigen Stromabzapfungen zwischen der
Sekundärwicklung und den Reaktanzen bequem vorgenommen werden können. Es darf darauf
hingewiesen werden, daß im vorstehenden Falle, obgleich normale Schweißtransformatoren
benutzbar sind, die in den Abgangsleitungen theoretisch die 1,73- (1,'-3-)
fache Leistung der Einphasenleistung bereitstellen, diese Leistung im allgemeinen
nicht zur Verfügung steht, da der kleinste scheinbare Widerstand (Impedanz), der
in den Regulierdrosselspulen eingebaut ist, etwa das Doppelte der erforderlichen
Impedanz beträgt. Dieser Umstand läßt sich dadurch
auf die richtigen
Werte zurückführen, daß die Drosselspulenwicklung etwa in ihrer Mitte angezapft
wird oder daß parallel geschaltete Drosselspulen benutzt werden, die roh einstellbar
sind, während die feineren Regulierungen durch, die direkt eingebauten Drosselspulensätze
bewirkt werden.
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In Fig. 4 sind nur zwei Transformatoren 8o, 82 benutzt, die in offener
Dreieck- oder V-Schaltung primär an das Drehstromnetz und sekundär an die Schweißelektroden
und das zu schweißende Werkstück angeschlossen sind. Diese Stromkreisschaltung ist
hinsichtlich ihrer Wirkungsweise der zuvor erwähnten geschlossenen Dreieckschaltung
durch die Benutzung einer regulierbaren Drosselspule 84 ähnlich gemacht, welch letztere
in die mit dem Werkstück verbundene oder geerdete Stromzuführungsleitung eingebaut
ist. Getrennte Reaktanzen oder Drosselspulen für die Schweißstromregelung sind ohne
Schwierigkeiten von den Werken, die größere Schweißausrüstungen herstellen, zu haben,
und es ist in den Fällen, wo nicht jede Stromzuführungsleitung mit einer einstellbaren
Reaktanz versorgt wird, empfehlenswert, Schweißtransformatoren zu benutzen, deren
Sekundärausgangsleistung durch die magnetische Kopplung der Wicklungen gesteuert
wird.
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In Parallelschaltung zu den Primärwicklungen werden zweckmäßigerweise
kapazitive Widerstände88 mit angeordnet, wodurch die Phasenbelastungen im wesentlichen
ausgeglichen werden und der Gesamtleistungsfaktor (cos cp) verbessert wird. Die
Abgleichung ist, wie leicht einzusehen, sehr einfach, da kapazitive Widerstände
im allgemeinen in i5 -kVA-Einheiten oder kleiner geliefert werden.
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Es muß allerdings darauf geachtet werden, daß beim Anschließen der
Stromzuleitungen die bereits erwähnte Phasenfolge eingehalten wird. Bei falscher
Phasenfolge werden entweder die Transformatoren beschädigt, oder es ergeben sich
unstabile Schweiß-Bedingungen sowie unerwünschte Schweißnähte.
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In Fig.3 ist ein vereinfachtes Schaltbild des Energiestromkreises
gezeigt einschließlich der Stromzuleitungen 56, 58 und 6o, die in dieser Reihenfolge
zu der vorderen oder vorlaufenden Schweißelektrode 5o, der hinteren oder nachfolgenden
Schweißelektrode 52 und dem zu schweißenden Werkstück hingeführt sind; die Stromzuleitungen
56, 58 und 6o sind dabei durch die üblichen Düsen 9o und 92 an die Schweißelektroden
5o, 52 und durch die feste Verbindung 93 an das zu schweißende Werkstück 54 angeschlossen.
Die Schweißelektroden 5o und 52 werden durch Servomotoren 94 und 96 gegen das Werkstück
54 hin in Vorschubbewegung gesetzt, wobei diese Servomotoren durch Spannungsregeleinrichtungen
98 und ioo in Abhängigkeit von der zwischen jeder Schweißelektrode und dem Werkstück
herrschenden Lichtbogenspannung derart gesteuert werden, daß durch den Vorschub
der Schweißelektroden selbsttätig in bekannter Weise jede der Lichtbogenspannungen
im wesentlichen konstant gehalten wird. Der Schweißkopf, mit dem die Schweißelektroden
mechanisch verbunden sind, wird dabei mit konstanter Geschwindigkeit in Richtung
des eingezeichneten Pfeiles bewegt.
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Wie in Fig.5 gezeigt, werden die Schweißelektroden 50 und 52
in ein gemeinsames Schmelzbad zog aus Schweißmetall und einem entsprechenden Flußmittel
vorgerückt, wobei dieses Schmelzbad unter einer Decke 104 aus körnigem Material
entsteht, die dem Werkstück 54 überlagert ist; das Werkstück 54 ist dabei seinerseits
mit einer Schweißunterlage oder Schweißhinterfütterung 1o6 versehen, die unterhalb
der Schweißnaht angeordnet ist. Die Schweißströme werden mittels der in die Stromzuleitungen
eingeschalteten Drosselspulen derart einreguliert, daß sowohl der an der nachfolgenden
Schweißelektrode gezogene Lichtbogen 1o8 als auch der an der vorlaufenden Schweißelektrode
gezogene Lichtbogen iio mit einer überwiegenden Vorlaufkomponente in der Schweißrichtung
vibriert. Dies ist durch die nach vorn gerichtete Schrägneigung des an der nachfolgenden
Schweißelektrode gezogenen Lichtbogens i08 zur Darstellung gebracht.
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Wird, wie aus Fig. 6 zu ersehen, durch Verstellung der Regulierdrosselspule
66 der dem Werkstück 54 durch die Leitung 6o zugeführte Strom von einem Wert IG,
auf einen Wert I192 geändert, dann ändert sich der Phasenverschiebungswinkel zwischen
dem Lichtbogenstrom IL der vorlaufenden Schweißelektrode und dem Lichtbogenstrom
ITl bzw. IT2 der
nachfolgenden Schweißelektrode von 14o auf 70° (e1. Grade).
Speziell innerhalb dieses Regulierbereiches zeigen die Schweißlichtbögen eine überwiegende
Vorlaufkomponente in der Schweißrichtung.
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In der nachfolgenden Tabelle I sind typische Schweißbedingungen aufgezeigt,
wie sie für Einfachdurchlaufstumpfschweißungen mit hintereinandergeführten Schweißelektroden
(Tandemanordnung der Schweißelektroden) und Mehrphasenstrom benutzt werden, wenn
diese Schweßungen gegen eine Schweißunterlage aus Kupfer erfolgen.
| Tabelle I |
| Dicke des zu vorlaufende Nachfolgende. Schweiß- |
| scUweißenden Schweißelektroden Schweißelektroden Werkstück
geschwindigkeit Elektrodenabstand |
| Werkstückes |
| mm Ampere Ampere Ampere cm/min CM - |
| 2 400 420 450 483 1,3 |
| 6 1030 675 1075 173 2,3 |
| 13 zQOO 86o 1140 1o9 2,8 |
| 25 160o 168o 1740 77,5 5,1 |
Zum Vergleich sind in nachfolgender Tabelle II Schweißbedii:gungen
aufgezeigt, wie sie normalerweise für Wechselstromstumpfschweißungen der gleichen
Art wie zuvor, jedoch mit nur einer Schweißelektrode benutzt werden.
| Tabelle 1I |
| Dicke des zu Schweiß- |
| schweißenden |
| Werkstückes Ampere Volt geschwindigkeit |
| mm cm/min |
| 2 350 24 165 |
| 6 65o 32 71 |
| 13 850 28 41 |
| 25 1550 41 28 |
Bekanntlich wird der Schweißlichtbogen durch innere magnetische Kräfte hervorgerufen,
wobei das überwiegende magnetische Feld das durch den Schweißstrom erzeugte Selbstinduktionsfeld
ist. Dieses Feld wird beeinflußt: 1. durch die Richtungsänderung des Stromes, sobald
der letztere in das Werkstück eintritt und nach der Werkstückanschlußverbindung
weitergeleitet wird, 2. durch die unsymmetrische Anordnung magnetischen Materials
rund um den Lichtbogen und 3. bei Schweißungen mit Wechselstrom durch die in dem
in Schweißung begriffenen Material erzeugten Wirbelströme. Weiterhin wird der Lichtbogen
durch die Arbeitsgangbewegung der Schweißstabelektroden gezogen. Bei Schweißung
mit hintereinanderstehenden Lichtbögen (Tandemlichtbogenschweißung) wirken zusätzlich
zu den obenerwähnten Umständen die jede Schweißelektrode umgebenden Selbstinduktionsfelder
gegenseitig aufeinander ein.
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Das jeweils eine Schweißelektrode umgebende magnetische Feld schwankt,
sofern dasselbe durch Wechselstrom hervorgerufen ist, proportional mit den Pulsationen
des Wechselstromes fortlaufend von einem positiven zu einem negativen Maximalwert,
und umgekehrt. Wenn die den Schweißelektroden zugeführten Wechselströme phasenverschoben
sind, dann ist der Stromverlauf in benachbarten Schweißelektroden bei einigen Intervallabschnitten
der Wechselstromperiode einander entgegengesetzt gerichtet, wodurch das zwischen
den Elektroden ausgebildete magnetische Feld verstärkt wird, während umgekehrt bei
anderen Intervallabschnitten der Wechselstromperiode der Stromverlauf gleichgerichtet
ist, wodurch das zwischen den Schweißelektroden oder Schweißstäben ausgebildete
magnetische Feld geschwächt wird. In beiden Fällen verschieben sich die entsprechenden
Lichtbogenentladungen jeweils in Richtung des schwächeren magnetischen Feldes. Es
ist somit zu ersehen, daß durch Änderung der Phasenverschiebung zwischen den Schweißströmen
dieLichtbogenentladungen derart reguliert werden können, daß dieselben sich überwiegend
gegenseitig anziehen oder abstoßen oder daß dieselben von gleicher Größe sind; ferner
ist zu ersehen, daß die Schwingungsfrequenz der Lichtbögen stets doppelt so groß
ist, wie die Frequenz des benutzten Wechselstromes. Wenn der Schweißstrom von einem
einzelnen Mehrphasensystem aus zugeführt wird, dann schwankt die Phasenverschiebung
zwischen den an der Schweißzone auftretenden Schweißströmen in Abhängigkeit von
der Größe des Schweißstromes in jeder Stromverzweigung. Die einzige Möglichkeit
zur Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Phasenverschiebung von weniger als 18o°
zwischen den Lichtbögen oder einer gleichmäßigen Phasenverschiebung von 6o oder
12o° besteht normalerweise darin, den Stromfluß in jedem Lichtbogen auf der gleichen
Höhe zu halten. Durch diese Forderung werden, obgleich dieselbe eine ausgeglichene
Belastung gewährleistet, die betriebsmäßigen Anwendungsmöglichkeiten eingeschränkt.
Wenn nach der Erfindung zusätzlich zu der Stromänderung in den Schweißelektroden
und unabhängig davon der Strom in der an das Werkstück angeschlossenen Stromphase
mittels einer in Serie geschalteten Regulierdrosselspule verändert wird, dann läßt
sich zwischen den Elektrodenströmen jede gewünschte Phasenverschiebung erreichen.
Auf diese Weise kann dann nicht nur die Größe der magnetischen Kräfte, sondern auch
das Zeitverhältnis zwischen Abstoßung und Anziehung der Lichtbögen gesteuert werden.
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Der dem Werkstück zugeführte Strom, dessen Größe in vorstehender Weise
verändert wird, richtet ein magnetisches Feld auf, das gegenüber den Selbstinduktionsfeldern
der Schweißelektroden rückwirkt. Die Zeitfolge, in der sich diese Felder ausbilden,
ist durch den Phasenumlauf der Schweißströme an der Schweißzone bestimmt. Hierzu
ließ sich feststellen, daß bei normalem Phasenumlauf bei weitem zufriedenstellendere
Schweißungen erzielt werden als bei verkehrtem Phasenumlauf.
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Für die getauchte oder versenkte, d. h. von einer körnigen Materialschicht
überdeckte Schmelzschweißung der Längsnaht eines Stahlrohres von 51 cm Durchmesser
und 6 mm Wandstärke wurde in Durchführung eines praktischen Erprobungsversuches
die Ausgangsleistung der Sekundärseiten von drei normalen und in geschlossener Dreieckschaltung
verketteten Schweißtransformatoren, deren Primärwicklungen gleichfalls in Dreieckschaltung
verkettet und an ein einzelnes Dreiphasensystem angeschlossen waren, in richtiger
Phasenfolge den beiden in Tandemanordnung hintereinandergeführten metallischen Schweißelektroden
sowie dem zu schweißenden Werkstück zugeführt, wobei in die Zuführungsleitungen
regulierbare und in Serie geschaltete induktive Reaktanzen oder Drosselspulen mit
eingebaut waren. Diese Systemanordnung diente als Ersatz für einen Schweißumformer
(Motorgenerator) und einen Einphasenschweißtransformator, welches Aggregat sonst
dazu benutzt worden war, der vorlaufenden Schweißelektrode Gleichstrom und der nachfolgenden
Schweißelektrode Wechselstrom zuzuführen. Hierbei ergab sich eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit
um mindestens 40 % bei einer vollkommeneren Kontrolle der Schweißgüte sowie
der Schweißbedingungen überhaupt.
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Um für eine vorgeschriebene Stoßfugenverbindung ein bestimmtes Schweißresultat
zu erzielen, ist es
erforderlich, daß die Eingangsschweißleistung
proportional der Schweißgeschwindigkeit ist. Tandemschweißungen lassen sich bei
außerordentlich hoher Schweißgeschwindigkeit für jede beliebige Materialstärke durchführen,
vorausgesetzt, daß die nötige Schweißleistung zur Verfügung steht und daß eine gleichförmige
Fortschreitgeschwindigkeit beim Schweißen eingehalten wird. Für Einfachdurchlaufschweißungen,
bei denen eine vollständige Durchdringung oder ein vollständiger Einbrand gewünscht
wird, entspricht die Einbrandtiefe jeweils der Blech- oder Plattenstärke. Für Doppel-V-
oder X-Stoßstumpf- :@ schweißungen entspricht die Einbrandtiefe jeweils der Dicke
des Schweißschmelzgutes abzüglich der Schweißraupe. Je nach der geforderten Schweißart
wird die zugeführte Schweißleistung auf die vorlaufende und nachfolgende Schweißelektrode
in verschiedenartiger Weise verteilt. Jedoch ist die empirische Verteilung der Schweißleistung,
welche anschließend beschrieben wird, nicht immer in der Weise gebunden, wie dies
aus den Tabellen I und III hervorgeht, die an sich typische Schweißbedingungen für
verschiedene Plattenstärken und Stoßverbindungsarten angeben.
| Tabelle III |
| Vorlaufende 'Nachfolgende Werkstück Schweiß- |
| Dicke des zu Schweißelektrode Schweißelektrode geschwindigkeit |
| schweißenden Ampere Ampere Ampere cmlmin |
| Werkstückes |
| unterlegt I fertig unterlegt I fertig unterlegt 1 fertig unterlegt
fertig |
| 6 940 Ego iooo 60o 1200 640 215 I 208 |
| 25 920 iooo 86o 116o 980 1140 78 77 |
| 40 1 0 20 136o 1420 1480 14.z0 1400 57 i
58 |
| 51 1440 1740 1480 176o 1540 1920 44 44 |
QLige Tabelle basiert auf folgender Vorbereitung der Schweißkanten:
Bei kupferunterlegten Einfachdurchlaufstumpfschweißungenmit vollständigem Einbrand
der Schweißnaht muß die Stromstärke in der vorlaufenden Schweißelektrode groß genug
sein, damit eine vollständige Durchdringung (Einbrand) sowie die Bildung eines einwandfreien
Bodens der Schweißnaht gewährleistet ist. Der Strom in der nachfolgenden Schweißelektrode
muß nur insoweit ausreichend sein, damit die gewünschte Metallzusetzung für die
Bildung der Schweißraupe erfolgt; diese Stromstärke beträgt im allgemeinen etwa
65
1) ' !', der Stromstärke der vorlaufenden Schweißelektrode. Die Größe
des dem Werkstück zugeführten Stromes wird durch die Regulierdrosselspule derart
eingestellt, daß zwischen der vorlaufenden und der nachfolgenden Schweißelektrode
ein Phasenverschiebungswinkel von vorzugsweise 107 bis i20° (e1. Grade) auftritt,
wenn die den beiden Schweißelektroden und dem Werkstück zugeführten Stromwerte derart
eingestellt werden, daß dieselben bei vektorieller Aufzeichnung zusammen ein geschlossenes
Vektordreieck bilden. Wenn der dem Werkstück zugeführte Strom zu klein ist, dann
kommt kein vollständiger Einbrand zustande; ist umgekehrt dieser Strom zu groß,
dann bildet sich ein schlackenhaltiger Boden an der Schweißnaht, der unterschnitten
ist. Sofern jedoch der Schweißstrom am Werkstück ebenso groß oder etwas größer als
der Strom an der vorlaufenden Schweißelektrode ist, dann wird im allgemeinen ein
Schmelzgut am Boden der Schweißnaht erzeugt, das frei von Schlacke ist.
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Bei doppelt geschweißten Stumpfstoßverbindungen ist die in dem vorlaufenden
Lichtbogen auftretende Schweißleistung im allgemeinen etwa 45 °,l0 der insgesamt
erforderlichen Schweißleistung. Das Stromstärkenverhältnis zwischen den in der vorlaufenden
und nachfolgenden Schweißelektrode und dem Werkstück auftretenden Strömen liegt
in der Reihenfolge eben dieser Aufzählung gewöhnlich bei i : i,io : i,20. Von diesen
Werten ausgehend lassen sich die Schweißbedingungen für jede verlangte Schweißgeschwindigkeit
und Einbrandtiefe errechnen.
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Ein wichtiger Gesichtspunkt ist der Abstand zwischen den Elektrodenmitten,
der üblicherweise an der Stirnfläche der Schweißnaht gemessen wird. Wenn es sich
um die Schweißung leichter Bearbeitungsstücke bei hoher Schweißgeschwindigkeit handelt,
dann ist stets der kürzeste Abstand der Schweißelektroden, der sich ohne Betriebsstörungen
erreichen läßt, erwünscht. Derartige Störungen machen sich
durch
uristabile Strom- und Spannungsverhältnisse sowie durch eine rohe, unterschnittene
Schweißraupe bemerkbar. Die flachste: und glatteste Schweißraupe wird jeweils dann
erreicht, wenn der Schweißelektrodenabstand gerade eine Kleinigkeit größer als der
zulässige Kleinstwert ist. Wird der Elektrodenabstand über dieses Maß hinaus erhöht,
dann wird die Schweißraupe schmaler und leicht aufgeraulit. Zweckmäßige Schweißelektrodenabstände
ergeben sich aus der Tabelle I, und dieselben sind für die dort eingetragenen Schweißgeschwindigkeiten
als charakteristisch anzusehen.
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Von gleicher Wichtigkeit ist die lineare Ausrichtung jeder Schweißelektrode
gegenüber der Mittellinie der Schweißnaht. Bei nicht genauer Ausrichtung von einer
der Schweißelektroden oder von beiden entsteht eine unsymmetrische und rauhe Schweißraupe,
während sich speziell bei Nichtausrichtung der vorlaufenden Schweißelektrode ein
unregelmäßiger Einbrand einstellt. Ausrichtungsverlagerungen der Schweißelektroden,
die auf Abnutzung der Düsen sowie auf eine seitliche Verschiebung der Schweißelektrode
zurückzuführen sind, lassen sich dadurch auf ein Mindestmaß zurückführen, daß die
Düsen so nahe wie möglich, .1o bis 5o mm sind dabei noch annehmbar, an das zu schweißende
Werkstück herangebracht werden, wobei jeweils der geringere Abstand für die schmäleren
Schweißnähte in Frage kommt.
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Die Schweißelektroden können gegenseitig parallel eingestellt sein,
werden jedoch zwecks bequemerer Handhabung im allgemeinen unter einem schwachen
Winkel betätigt. Bei in dieser Hinsicht angestellten Versuchen hat sich keineswegs
gezeigt, daß der Abweichungswinkel der Schweißelektroden von der Vertikalen irgendwie
kritisch ins Gewicht fällt; vielmehr wurden in jedem Falle zufriedenstellende Schweißungen
erzielt, gleichgültig ob beide Schweißstäbe genau senkrecht oder unter einem Winkel
zur Vertikalen eingestellt waren oder ob eine Elektrode senkrecht und die andere
unter einem Winkel zur Vertikalen schräg geneigt war. Eine Parallelstellung der
Schweißelektroden ist im allgemeinen dort erforderlich, wo eine nicht kompensierbare
Schwankung in der Abstandsentfernung zwischen dem Werkstück und den Kontaktbacken
vorhanden ist. In einigen Fällen wurden parallele Schweißelektroden nach rückwärts,
d. h. entgegengesetzt zur Schweißrichtung schräg verstellt.
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Die Elektrodendurchmesser sind jeweils durch die bei eingetauchtem
Schmelzschweißen üblicherweise auftretenden Stromdichten bestimmt, welch letztere
bei Vierkantschweißung schätzungsweise zwischen 3100 und 775o Amp.cm'2 liegen.
Gewöhnlich haben die vorlaufende und die nachfolgende Schweißelektrode den gleichen
Durchmesser, jedoch scheint es für die Einfachdurchlaufschweißung irgendwie von
Vorteil zu sein, wenn die vorlaufende Schweißelektrode im Durchmesser um eine Maßeinheit
größer als die nachfolgende Schweißelektrode ist, d. h. beispielsweise 6 mm, wenn
die nachfolgende Schweißelektrode einen Durchmesser von 5 mm hat.
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Die Ränder der Schweißnaht liegen für Blechstärken bis zu 12 mm im
allgemeinen senkrecht zur Blechstirnfläche, während bei größeren Blechstärken eine
Vorbereitung der Kanten für V- oder X-Stoß benutzt wird. Die hauptsächlich
notwendige Abänderung bei der Vorbereitung der Schweißkanten ist eine Erhöhung der
Nahtwurzelflächenabmessung um angenähert 25 o,Io.
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Während es im allgemeinen erwünscht ist, den Schweißvorgang in Ablaufrichtung
von der elektrischen Anschlußverbindung des Werkstückes aus durchzuführen, werden
durch die unsymmetrische Phasenverteilung, wie sie durch die Erfindung vorgesehen
ist, magnetische Störungen, die auf die örtliche Anordnung des Werkstückkopfes zurückzuführen
sind, praktisch ausgeschaltet.
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Es haben sich wenig oder überhaupt keine Anhaltspunkte dafür ergeben,
daß andere wichtige Faktoren, die für die Durchführung automatischer Schweißvorgänge
entscheidend sind, durch das Schweißverfahren nach vorstehender Erfindung nachteilig
beeinflußt werden. Derartige Faktoren betreffen die Sauberkeit der Schweißnaht,
die: Gleichförmigkeit der Werkstückaufpassung und die Gleichförmigkeit der Schweißgeschwindigkeit.
Schwankungen der Primärspannung können in einem größeren Ausmaße vertragen werden
als bei Einphasenschaltung, da Spannungsschwankungen in irgendeiner Phase der Primärseite
sich nur teilweise in der sekundären Ausgangsleistung der in Dreieck geschalteten
Transformatoren auswirken.