-
Die Erfindung betrifft eine Stromquelle mit statischer Strom-Spannungs-Kennlinie,
deren Steigung wahlweise einstellbar ist, für Gleichstrom-Kurzlichtbogenschweißungen
unter Schutzgas mit abschmelzender Elektrode und automatischem Elektrodenvorschub,
wobei im Gleichstromschweißkreis eine Drossel eingeschaltet ist, die die Zeitkonstante
und damit die Änderungsgeschwindigkeit des im Schweißstromkreis fließenden Stromes
beeinflußt.
-
An Hand von Zeitdehner-Filmaufnahmen wurde schon früher gezeigt, daß
beim Handschweißen der Werkstoffübergang von der Elektrode zum Schweißbad dadurch
erfolgen kann, daß ein Tropfen aus geschmolzenem Elektrodenwerkstoff den Lichtbogenspalt
zwischen der Elektrode und dem Schweißbad überbrückt und sich dann von dem Elektrodenende
löst, so daß der Lichtbogen erneut gezündet wird. Falls die Spaltlänge auf Grund
der Anwendung einer niedrigen Lichtbogenspannung verhältnismäßig kurz ist und in
der Elektrode eine ausreichend hohe Stromdichte vorliegt, tritt die Ablösung unter
dem Einfluß von einschnürenden Elektromagnetkräften, d. h. dem sogenannten Pincheffekt,
ein, bevor der Tropfen so groß wird, daß er infolge der Schwerkraft abfällt.
-
Nach dem späteren Aufkommen von automatischen Elektrodenvorschubgeräten
wurde ein Schweißverfahren entwickelt, bei dem sich das Kurzschließen des Lichtbogens
während des gesamten Schweißvorganges mit im wesentlichen gleichförmiger Frequenz
wiederholt. Typisch sind dabei 50 bis 200 Kurzschlüsse pro Sekunde. Bei diesem »Gleichstrom-Kurzlichtbogenschweißverfahren«
werden der Lichtbogenstrom, die Induktivität des Schweißstromkreises und die Vorschubgeschwindigkeit
der Elektrode gegenseitig derart festgelegt, daß die Elektrodenvorschubgeschwindigkeit
die Abschmelzgeschwindigkeit der Elektrode übertrifft, was zur Folge hat, daß die
Elektrode mit dem Schweißbad periodisch in Kontakt kommt.
-
Zum Gleichstrom-Kurzlichtbogenschweißen wurden bisher die auch für
andere Schweißverfahren eingesetzten Gleichstromschweißquellen mit in ihrer Steigung
einstellbarer statischer Strom-Spannungs-Kennlinie verwendet. Die Einstellung der
Kennliniensteigung erfolgt bei derartigen bekannten Schweißstromquellen mit Hilfe
von Regelwiderständen oder einstellbaren Drosseln, die auf der Wechselstromseite
der Stromquelle angeordnet sind. Die Kennliniensteigung bestimmt den Kurzschlußstrom.
Durch entsprechende Wahl der Kennliniensteigung können daher beim Kurzlichtbogenschweißen
übermäßige Ströme vermieden werden, die ein explosionsartiges Ausstoßen von Werkstoff
aus dem werkstück- oder elektrodenseitigen Schmelzbad, ein Auslöschen des Lichtbogens,
ungleichmäßigen Einbrand und schlechte Raupenausbildung zur Folge haben. Gleichwohl
sind die Ergebnisse häufig nicht zufriedenstellend. So ist beim Kurznisse häufig
nicht zufriedenstellend. So ist beim Kurzlichtbogenschweißen die Fließfähigkeit
des Schweißbades oft nicht in gewünschter Weise beeinflußbar, oder es kommt zur
Ausbildung eines unstabilen Lichtbogens, ausgeprägten Schweißbaderstarrungslinien,
Kaltüberlappungen, schlechter Kantenverschmelzung und ungenügendem Einbrand.
-
Durchweg zufriedenstellende Schweißungen konnten im Bereich der verschiedenen
möglichen Einstellungen der Steigung der statischen Strom-Spannungs-Kennlinie mit
keiner der bisher verfügbaren Stromquellen erzielt werden, selbst wenn in dem Gleichstromkreis
eine Festdrossel lag, die die Aufgabe hatte, die Gesamtinduktivität des Gleichstromkreises
auf einen festen Wert zwischen 0,05 und 1 mH zu bringen.
-
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Schweißvorgang und
die Beschaffenheit der fertigen Schweißung bedeutend verbessert werden können, wenn
die Zeitkonstante und damit die Änderungsgeschwindigkeit des im Schweißstromkreis
fließenden Stromes in Wechselbeziehung mit der ausgewählten Steigung der statischen
Strom-Spannungs-Kennlinie feineingestellt werden. So bestimmt insbesondere die in
Verbindung mit einer vorgegebenen Kennliniensteigung benutzte Zeitkonstante die
Verteilung der von der Stromquelle abgegebenen Energie auf die Kurzschluß- und die
Lichtbogenphase. Sie hat bei im übrigen konstant gehaltenen Bedingungen außerdem
Einfluß unter anderem auf die Fließfähigkeit und Bewegung des Schweißbades, auf
den erzielten Einbrand, die Spritzerbildung, die Kurzschlußfolgefrequenz, die Ausbildung
von Erstarrungslinien und den nutzbaren Stromdichtebereich.
-
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel im wesentlichen
über einen Bereich von 0 bis 1 mH und gegebenenfalls darüber hinaus derart einstellbar
ist, daß die Gesamtinduktivität des Gleichstromkreises 0,02 bis maximal 2 mH beträgt.
-
Zwar hat eine Verstellung der auf der Wechselstromseite liegenden
Drossel bekannter Gleichstromschweißquellen ebenfalls eine Änderung der Zeitkonstanten
des Schweißstromkreises zur Folge. Damit verbunden ist jedoch eine Änderung der
Kennliniensteigung, so daß einer vorgewählten Kennliniensteigung zwangläufig stets
eine bestimmte Zeitkonstante zugeordnet ist. Für die Praxis der Kurzlichtbogenschweißung
kommt es demgegenüber darauf an, die Kennliniensteigung und die Zeitkonstante des
Schweißstromkreises unabhängig voneinander wählen und wechselseitig einander anpassen
zu können.
-
Des weiteren ist zwar auch eine Gleichstromschweißquelle mit nicht
variabler Kennliniensteigung für normales Lichtbogenschweißen, d. h. Schweißen mit
sprühregenartigem Werkstoffübergang, bekannt, in deren Gleichstromkreis eine einstellbare
Drossel liegt. Bei der bekannten Schweißstromquelle hat diese Drossel jedoch eine
ganz andere Aufgabe als die einstellbare Drossel bei der Anordnung nach der Erfindung;
sie soll es dort nämlich ermöglichen, den Welligkeitsanteil des gleichgerichteten
Schweißstromes zu beeinflussen, also eine mehr oder minder starke Glättung herbeizuführen.
Eine einstellbare Glättung setzt einen erheblichen Welligkeitsanteil voraus; für
die Glättungswirkung kommt es auf den induktiven Blindwiderstand der Drossel an,
der seinerseits wesentlich von der Frequenz des an der Wechselstromseite des Gleichrichters
anliegenden Wechselstroms abhängt. Im Gegensatz dazu erfolgt die Zeitkonstanteneinstellung
nach der Erfindung unabhängig davon, ob und in welchem Grade dem Schweißgleichstrom
eine Wechselstromkomponente überlagert ist. Entscheidend für die Bestimmung der
Zeitkonstanten ist der Induktivitätswert und nicht der induktive Blindwiderstand.
Infolge dieser grundsätzlichen Unterschiede weichen auch die Bemessungen voneinander
ab. Die bekannte Drossel ist auf eine Induktivität von 2 bis 8 mH einstellbar, während
bei der Stromquelle nach der Erfindung die Gesamtinduktivität des Gleichstromschweißkreises
maximal 2 mH beträgt.
-
Bei vielen Anwendungsfällen ist es ohne weiteres
Lusreichend,
die Stromquelle nach der Erfindung mit ,iner von 0 bis 1 mH veränderbaren Drossel
auszutatten. Höchste Anpassungsfähigkeit wird erreicht, nenn die Stromquelle mit
einer Drossel versehen ist, iie eine Veränderung der Gesamtinduktivität von I,02
mH bis zum Maximalwert von 2 mH gestattet.
-
Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausührungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigen F i g.1 und 2 Oszillogramme, die den Verlauf des >tromes in
Abhängigkeit von der Zeit während tatächlicher Schweißvorgänge veranschaulichen
und den ,linfluß unterschiedlicher Zeitkonstanten erkennen assen, F i g. 3 ein Blockschaltbild
der Schweißstromquelle lach der Erfindung in Verbindung mit einer vollstäniigen
Schweißanlage, F i g. 4 eine Kennlinienschar, die den Bereich der mit ;iner Schweißstromquelle
nach der Erfindung erziel )aren Kennliniensteigungen veranschaulicht, F i g. 5 eine
Kennlinienschar, die den mit einer speaellen Ausführungsform der neuen Schweißstromluelle
erzielbaren Steigungsbereich veranschaulicht, F i g. 6 und 7 graphische Darstellungen,
die die firkung der Zeitkonstanten bei den in F i g. 5 verunschaulichten Kennliniensteigungen
wiedergeben, und F i g. 8 ein schematisches Schaltbild einer speziellen Ausführungsform
der neuen Schweißstromquelle.
-
Es sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um bei >chweißstromquellen
die Steigung der statischen itrom-Spannungs-KennlinieunddamitdenKurzschlußttrom
einzustellen. Bei Schweißstromquellen mit Schweißtransformator und nachgeschaltetem
Gleichichter wird für diesen Zweck meist ein induktiver 31indwiderstand in dem Schweißtransformatorkreis
vor iem Gleichrichter vorgesehen.
-
Die- bekannten Maßnahmen zur Festlegung des Kurzschlußstromes durch
Einstellung der Kennlinien-;teigung haben auch Einfluß auf die Zeitkonstante des
Schweißstromkreises. Dabei ist einer bestimmten Kennliniensteigung jeweils eine
bestimmte Zeitkon->tante zugeordnet. Die Zeitkonstante bestimmt die @nderungsgeschwindigkeit
des Stromes längs der gewählten statischen Strom-Spannungs-Kennlinie. Die -ichtige
Wahl dieser Änderungsgeschwindigkeit ist -ntscheidend, um beim Kurzlichtbogenschweißen
einwandfreie Schweißungen zu erzielen. Eine von der Kennliniensteigung unabhängige
Abstimmung der Zeitkonstanten auf einen optimalen Wert wird durch lie in bestimmten
Grenzen einstellbare Drossel im Gleichstromkreis ermöglicht. Infolgedessen bleibt
der vorbestimmte Kurzschlußstrom bei Verstellung der Zeitkonstanten unverändert.
Beispielsweise wird zunächst die Steigung der statischen Strom-Spannungs-Kennlinie
der Schweißstromquelle dadurch festgelegt, daß ein im Wechselstromkreis liegender
Blindwiderstand auf einen geeigneten Wert eingestellt wird. Dies bestimmt zwangläufig
die Größe des Kurzschlußstroms und teilweise auch die Zeitkonstante des Schweißstromkreises.
Mittels der änderbaren Drossel im Gleichstromkreis wird dann die Zeitkonstante fein
eingestellt, ohne die Größe des Kurzschlußstromes zu ändern.
-
Die Oszillogramme nach den F i g. 1 und 2 zeigen den Verlauf des Stromes,
aufgetragen über der Zeit, während tatsächlicher Schweißvorgänge, wobei die Mittelwerte
von Spannung und Strom in beiden Darstellungen gleiche Größe haben. Die Zeitkonstante
ist im Falle der F i g.1 kleiner. Der höchste Augenblickswert des Stromes nach F
i g. 1 ist größer als derjenige nach F i g: 2. Infolgedessen ist die Kurzschlußdauer
in F i g.1 kleiner als in F i g. 2. Auf Grund der größeren Zeitkonstanten wird ferner
der Strom in F i g. 2 während des größten Teils der Lichtbogendauer auf einem höheren
Wert gehalten als im Falle der F i g. 1. Die während der Lichtbogendauer zugeführte
elektrische Leistung ist also größer. Die bessere Verteilung der insgesamt zugeführten
elektrischen Leistung erlaubt eine wirkungsvollere Beeinflussung der Fließfähigkeit
des Schmelzbades und damit eine bessere Beherrschung des Schweißvorganges.
-
Die unterschiedlichen Schweißergebnisse bei unterschiedlicher Einstellung
der Schweißstromquelle wurden bei Schweißungen, die sowohl mit Stahldraht auf einfachem
bzw. rostsicherem Stahl als auch mit Aluminiumdraht auf Aluminium mittels einer
in F i g. 3 veranschaulichten Schweißanlage vorgenommen wurden, klar erkennbar.
Durch optimale Einstellung des im Gleichstromkreis liegenden Blindwiderstandes je
nach der gewählten Neigung der Strom-Spannungs-Kennlinie wurden ein tieferer Einbrand,
weniger ausgeprägte Erstarrungslinien, verbesserte Benetzungswirkung und weniger
Spritzer erzielt.
-
Die Schweißversuche haben ferner ergeben, daß durch die günstigere
Verteilung der Energie über die Kuxzschluß- und Lichtbogenphase mittels optimaler
Einstellung des Blindwiderstandes bei bedeutsam niedrigeren Stromdichten geschweißt
werden konnte, als es zuvor möglich war. So waren bei Verwendung einer Schweißstromquelle
nach der Erfindung z. B. Stromdichten bis herab zu etwa 3800 A/cm' bei 1,6 mm dickem
Aluminiumdraht erzielbar. Entscheidend ist die Auswahl der richtigen Zeitkonstanten.
Eine Änderung der Induktivität in der Größenordnung von 10 0/0 reicht aus, um ein
einwandfreies Schweißen unmöglich zu machen. Es kann also durch die mittels der
Erfindung ermöglichte optimale Einstellung der Schweißbereich einer gegebenen Schweißanlage
merklich verbessert werden.
-
Gemäß F i g. 3 ist eine Gleichstromschweißquelle 30 mit eingebautem
Stellglied, z. B. verstellbarem Blindwiderstand oder Magnetverstärker, zur Einstellung
der statischen Strom-Spannungs-Kennlinie und zugeordneter, im Gleichstromkreis liegender,
änderbarer Drossel 14, z. B'. in Form einer Spule mit Luftspalt im Eisen,
mit der einen Seite an die Schweißdrahtführung 22 des Brenners
20 und mit der anderen Seite an das Werkstück 32 angeschlossen. Die Drahtelektrode
16 wird mittels Vorschubrollen 24 von einer Drahthaspel 18 zum Brenner 20
gezogen. Der Elektrode 16 wird Strom über die Drahtführung 22 zugeführt.
Die Vorschubrollen 24 werden von einem Motor 26 angetrieben. Schutzgas wird dem
Brenner 20 aus einer zweckentsprechenden Quelle, z. B. einem Preßgaszylinder 28;
zugeführt.
-
F i g. 8 zeigt schematisch ein typisches Schaltbild der in F i g.
3 in Blockform veranschaulichten Gleichstromschweißquelle 30. Die Stromquelle weist
einen Dreiphasen-Regeltransformator 4 auf, der an einen Wählschalter
34 zur Einstellung der Leerlaufspannung angeschlossen ist. Der Ausgang des
Transformators 4
liegt an einem verstellbaren Blindwiderstand 5 und einem
Blindwiderstandsbereichsschalter 35, mittels deren die Steigung der statischen Strom-Spannungs-Kennlinie
einstellbar ist. Über ein Hauptschütz 36 ist der Blindwiderstand 5 mit dem Haupttransformator
39 verbunden, der den nachgeschalteten Vollwegbrückengleichrichter 6 mit Dreiphasenstrom
speist. Der Gleichstromausgang
des Gleichrichters 6 ist an eine
einstellbare Drossel 14 und einen Induktivitätsbereichsschalter 33 angeschlossen.
Beim Schließen des Hauptschalters 40 wird das Hauptschütz 36 über einen Hilfsstromkreis
41 betätigt. Ein Amperemeter 37 und ein Voltmeter 38
sind in passender
Weise an die Ausgangsklemmen der Schweißstromquelle angeschlossen.
-
Um die Stromquelle den beabsichtigten Schweißbedingungen anzupassen,
stellt der Schweißer während einer Versuchsschweißung mittels des Blindwiderstandes
5diegewünschteKennliniensteigungundmittels der Drossel 14 eine passende Zeitkonstante
ein.
-
Mit Hilfe eines wechselstromseitigen Stellgliedes, z. B. eines verstellbaren
Blindwiderstandes oder eines Magnetverstärkers, kann grundsätzlich jede Kennliniensteigung
zwischen etwa -1 V/1 A und etwa -I-10 V/100 A eingestellt werden (F i g. 4). Die
für einen speziellen Schweißvorgang zu verwendende Steigung wird empirisch bestimmt.
Nachdem die gewünschte Steigung gewählt ist, erfolgt eine Feineinstellung der Zeitkonstanten
und damit der Änderungsgeschwindigkeit des im Schweißstromkreis fließenden Stromes,
indem die änderbare Drossel 14 passend eingestellt wird. Die auf diese Weise
festgelegte Zeitkonstante bestimmt die Änderungsgeschwindigkeit des Stromes entlang
der zuvor gewählten statischen Strom-Spannungs-Kennlinie. Die Zeitkonstante beeinflußt
ihrerseits die Kurzschluß- und Lichtbogendauer (F i g. 1 und 2) und damit die Verteilung
der an die Schweißstelle abgegebenen Energie.
-
Die durch die richtige Einstellung der Zeitkonstanten verwirklichten
Vorteile sind den F i g. 5, 6 und 7 klar zu entnehmen. F i g. 5 zeigt den Bereich
der statischen Strom-Spannungs-Kennlinien, die sich mit der in F i g. 8 veranschaulichten
Schweißstromquelle bei einer Leerlaufspannung von 20 V erzielen lassen. Die Kennlinie
A wird dabei erhalten, wenn der wechselstromseitig angeordnete Blindwiderstand 5
und die im Gleichstromkreis liegende Drossel 14 beide auf ihren Kleinstwert eingestellt
sind. Die Kennlinie B ergibt sich, wenn der Blindwiderstand 5 auf den Kleinstwert
und die Drossel 14 auf den Höchstwert eingestellt sind. Die Kennlinien
A und B haben im wesentlichen gleiche Steigung. Die leichte Änderung
(3 V/1000 A) infolge Verstellung der Drossel 14 vom Kleinstwert auf den Höchstwert
ist auf den Wicklungswiderstand der Drossel zurückzuführen. Die F i g. 6, die den
Anstieg des Laststromes in Abhängigkeit von der Zeit zeigt, läßt demgegenüber deutlich
erkennen, wie ausgeprägt der Unterschied in der Zeit ist, die gebraucht wird, um
den eingeschwungenen Zustand zu erreichen, je nachdem ob auf den Kennlinien
A oder B gearbeitet wird. Bei der Kennlinie A wird der eingeschwungene
Zustand wesentlich rascher als bei der Kennlinie B erreicht. Die Zeitkonstante T
= 2,78 - 10-a s für die Kennlinie A ist klein im Vergleich zu der Zeitkonstanten
T = 30,50 - 10-a s für die Kennlinie B.
-
Wenn mit der Kennlinie A entsprechend einer kleinen Zeitkonstanten
geschweißt wird, ist die der Schweißstelle zugeführte Energie gemäß F i g. 1 kleiner
als bei einem Arbeiten mit der der größeren Zeitkonstanten entsprechenden Kennlinie
B (F i g. 2). Der Schweißer wird daher, wenn er eine kalte Schweiße, d. h. ein ziemlich
rasch erstarrendes Schmelzbad wünscht, auf der Kennlinie A arbeiten. Wenn er demgegenüber
eine größere Fließfähigkeit des Schmelzbades wünscht, wird er die Kennlinie B mit
größerer Zeitkonstante wählen. Die Kurven C und D nach F i g. 5 stellen die Kennlinien
größter Steigung der Schweißstromquelle nach F i g. 8 dar. Sie werden erhalten,
wenn der Blindwiderstand 5 auf seinen höchsten Wert eingestellt ist. Die Kennlinie
C entspricht der Einstellung der Drossel 14
auf den Höchstwert, die Kennlinie
D der Einstellung der Drossel 14 auf den Kleinstwert. Durch Verstellen der
Drossel wird in diesem Falle die Kennliniensteigung nicht merklich geändert. F i
g. 7 veranschaulicht demgegenüber den erheblichen Unterschied in der Zeitspanne,
die erforderlich ist, um den eingeschwungenen Zustand zu erreichen, je nachdem ob
auf Kennlinie C oder Kennlinie D gearbeitet wird. Wie aus den Kurven der F i g.
7 für tlT = 1 abzulesen ist, ist die Zeitkonstante T für die Kennlinie
D klein (T = 1,39 -10a s) gegenüber der Zeitkonstanten für die Kurve
C (T = 4,16 -10-a s).
-
Durch Einstellung des Blindwiderstandes 5 und der Drossel 14 kann
somit die Zeitkonstante T kontinuierlich verstellt werden, um die Stromquelle jeweils
den bestmöglichen Schweißbedingungen anzupassen.
-
In der untenstehenden Tabelle sind die den F i g. 5, 6 und 7 zu entnehmenden
Werte zusammengestellt, wobei T = L/R in Sekunden, L = gesamte Induktivität in Henry
und R = Innenwiderstand der Stromquelle plus Widerstand der Kabel und Kontakte der
Schweißanlage in Ohm ist.
| Neigung R L T |
| A 0,037 103-10-6 2,78 .10-3 |
| B 0,040 1200.10-6 30,50-10-3 |
| C 0,345 1450-10-6 4,16-10-3 |
| D 0,345 480-10-11 1,39-10-3 |
Dies zeigt, daß die Induktivität der gleichstromseitig angeordneten, einstellbaren
Drossel der in F i g. 8 veranschaulichten Stromquelle zwischen 0 und etwa 1 mH änderbar
ist. Eine Gesamtinduktivität des Schweißstromkreises von Lgeeamt = 0,02 bis 2 mH
erwies sich in der Praxis als einzig brauchbar. Wird eine Konstantspannungsquelle
mit sehr geringem wechselstromseitigem Blindwiderstand verwendet, ist gleichstromseitig
eine Induktivität mit Einstellbarkeit bis zu einem maximalen Gesamtwert von mehr
als 1 mH erforderlich, um für Lgesamt den optimalen Einstellbereich zu erzielen.