DE1540955A1 - Lichtbogen-Schweissautomat - Google Patents

Description

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Osaka, Japan Lichtbogen-Schweißautomat

Die Erfindung betrifft Lichtbogen-Schweißautomaten,-bei welchen sich im Betrieb verbrauchende Elektroden verwandt werden.

Lichtbogen-Schweißgeräte einschließlich solcher für CO₂- und andere Schutzgasschweißung verwenden im allgemeinen ein Gleichrichter-Netzgerät und eine Steuervorrichtung mit konstanter Spannung oder mehr oder weniger fallenden Ausgangs-Kennlinien.

Die Erfindung hat das Ziel, einen Lichtbogen-Schweißautomaten des beschriebenen allgemeinen Typs zu schaffen, der ein Netzgerät und eine Steuervorrichtung mit fortschreitenden oder zunehmenden Ausgangs-Kennlinien vor-

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sieht, die den Kennlinien des Schweißlichtbogens entsprechen.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigen

Fig. 1 ein Schaltschema eines Lichtbogen-Schweißautomaten, der ein Gleichrichter-Netzgerät und eine Steuervorrichtung mit konstanter Gleichspannung in der herkömmlichen Ausführung hat, Fig. 2 die Ausgangs-Kennlinien des Netzgerätes

und der Steuervorrichtung des in Fig. 1 geze igten Lichtbogen-Schwe ißgerätes, Fig. 3 eine optimale Schweißspannungs-Kennlinie, die die Beziehung zwischen der Schweißspannung und dem Schweißbogenstrom angibt, Fig. 4 ein Schaltschema des erfindungsgemäßen Lichtbogen-Schweißautomaten, der ein Gleichrichter-Netzgerät und eine Steuervorrichtung mit ansteigenden Kennlinien hat,

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Fig. 5 die Erreger-Kennlinie des im Netzgerät und in der Steuervorrichtung nach Fig. 4 verwandten magnetischen Verstärkers,

Fig. 6 eine unstabile Bogenbildung,

Fig. 7 für den unstabilen Bogenzustand die Magnetisierung des magnetischen Verstärkers, und

Fig. 8 die Ausgangs-Kennlinie des erfindungsgemäßen Lichtbogen-Schweißgerätes.

Bisher wurden in Lichtbogen-Schweißautomaten mit ölen im Betrieb verbrauchenden Elektroden und insbesondere bei SOp- und anderen Schutzgasschweißverfahren Gleichrichteräetzgeräte und Steuervorrichtungen mit gleichbleibenden Spannungs-Kennlinien am meisten verwandt. Eine Ausführungsform eines Lichtbogen-Scnweißautomaten, der ein solches letzgerät und eine solche Steuervorrichtung aufweist, soll sunächst im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben werden. g

In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen T- einen Drehstromtransformator, IiL und N den Verstärker bezw. die

JA. S

Erregerspulen eines magnetischen Verstärkers, R^ öleichrichterelemente, Tp einen3 teuer transformator _? B_r_ G-leichriehterelemente für die Steuerung, H-, und H₉ se igen BegreEzungswiderstände für .Vorwärts- rmß. Q®gen%T?e^11^*1,, iL·- @inen Reglar für ä.^3 Sch^si3siaimuEg_s If eine Er^i)(? tit-

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Schweißdraht und A den Schweißbogen. Bei dem Lichtbogen-Schweißgerät dieser Art weisen das Netzgerät und die Steuervorrichtung die in Fig. 2 gezeigten typischen Ausgangs-Kennlinien auf und in solch einem Gerät wird die Ausgangsspannung durch Steuerung der durch den magnetischen Verstärker verursachten Erregung geregelt.

Andererseits weist die mit solch einer Vorrichtung erreichbare Optimalspannung des Sehweißbogens eine ansteigende Schweißetrom-Kennlinie auf, wie Fig. 3 zeigt, die die bei Verwendung von COp als Schutzgas erreichbare Strom-Spannungs-Kennlinie darstellt. Eine im allgemeinen ahnliehe Kurve ist bei Lichtbogen-Schweißgeräten erreichbar, die Argon oder ein anderes Edelgas verwenden, oder bei dem sogenannten Unterpulver-Schweißverfahren.

Bei dem Netzgerät und der Steuervorrichtung der Fig. 1, die die in Fig. 2 gezeigte Ausgangs-Kennlinie aufweist, wird angenommen, daß das Schweißen anfänglich bei Punkt A ausgeführt wird, der einer Schweißspannung V. und einem Schweißstrom L· entspricht. Wenn der Schweißstrom in der Folge auf I_ß erhöht werden soll, muß die Optimalspannung für den Strom Ig V^ sein, wobei eine der Kurve von Fig. 3 entsprechende Optimal-Strom-Spannungs-Kennlinie X-X¹ angenommen wird. Folglich muß der Arbeitspunkt nach B

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verschoben werden, indem die Erregung des Netzgerätes und der Steuervorrichtung neu eingestellt wird. In der Praxis hat dieses Ansteuern des Schweißstromes und der Schweißspannung ein schwieriges Problem gebildet, das sehr viel Geschicklichkeit und Erfahrung seitens der Bedienungsperson erfordert.

Die Erfindung soll dieses bisher bei der automatischen Lichtbogensehweissung bestandene Problem lösen und wird zunächst in Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigt.

In Fig. 4 bezeichnen T-r, N_R, 1™, W und A die Teile, die in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Das Bezugszeichen CT bezeichnet einen in einer Phase am Ausgang des Drehstromtransformators T-, eingesetzten Stromwandler, S-, bezeichnet zusätzliche an den Ausgang des Stromwandlers CT angeschlossene Gleichrichterelemente, C zeigt einen parallel zur Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung geschalteten Kondensator, N. bezeichnet eine Bückkopplungs-Erregerspule, die an eine Klemme des Kondensators angeschlossen und mit dem Widerstand R, in Serie geschaltet ist, der mit der anderen Klemme des Kondensators verbunden ist, Tp bezeichnet einen Hilfstransformator, an dessen Ausgangsseite zusätzliche Gleichrichterelemente Sg ange-

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schlossen sind, und N, bezeichnet eine Vorspannungs-Erregerspule, die an eine der Ausgangsklemmen der Gleichrichterschaltung angeschlossen und an den Vorspann-Widerstand IL in Serie geschaltet ist, der mit der anderen Ausgangsklemme des Gleichrichters verbunden ist.

Bei Betrieb wird anfänglich eine vorbestimmte Vorspannung, und zwar gewöhnlich eine negative Spannung an den magnetischen Verstärker mit einem durch die Vorspannungs-Erregerspule Ik fließenden Erregerstrom angelegt.

Unter diesen Voraussetzungen würde ohne die Anbringung einer Eückkopplungs-Erregerspule N. und eines zugehörigen Steuerkreises die durch die Verstärkerwicklung N_R aufgenommene Spannung sehr hoch sein und die Ausgangsleistung würde Strom-Spannungs-Kennlinien aufweisen, ^ wie sie durch die ausgezogenen Linien in Fig. 2 gezeigt sind.

Im Gegensatz dazu wird bei dem erfindungsgemäßen Schaltungsaufbau von Figo 4, wenn der unbelastete Zustand in den einen Schweißbogen mit zunehmenden Strom bildenden ' belasteten Zustand umgestellt wird, der zum Ausgangsstrom proportionale Wechselstrom durch den Stromwandler CT und

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die zusätzlichen Gleichrichterelemente S-, auf einen gewünschten Wert Vollweg-gleichgerichtet, wobei der gleichgerichtete Strom zur Rückkopplungs-Erregerspule N. durch einen den Kondensator C und Widerstand IU enthaltenden Akkumulatorkreis rückgekoppelt ist. Die itückkopplungserregung soll in der Polarität entgegengesetzt zu der durch die Vorspannspule N, bewirkten Vorspannung erfolgen. Demgemäß sind die sich danach ergebenden Erregungen der Vorspannungs- und Rückkopplungs-Erregerspulen N^ und N^ und ihre kombinierte Erregung in Fig. 5 dargestellt. ·

riie aus Fig. 5 zu ersehen ist, nimmt die Erregung des magnetischen Verstärkers mit dem Ausgangsstrom zu, d.h. sie hat einen negativen Wert, deren absoluter Wert mit dem Ansteigen des Ausgangsstromes abnimmt, und die Ausgangs-Stroa-Spannungs-Kennlinie des Lichtbogen-Schweißgerätes steigt an. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Widerstandselementen hat der Bogen A einen Wert der Impedanz, d.h. ein Verhältnis von Bogenspannung zu Bogenstrom, das abhängig Ton verschiedenen Faktoren, einschließlich Stromwert und Bogenlänge, weitgehend fluktuiert.

Wenn die Rückkopplungsscüaltung des Ausgangsstroms, bestehend aus Stromwandler CT, zusätzlichen Gleichrichterelementen S -, und Rückkopplungsspule N., keinen Akkumula-

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torkreis vie den mit Kondensator C und Widerstand Bz hat, kann der Arbeitspunkt wegen der positiven Rückkopplung des Rückkopplungssystems nicht stabilisiert werden. Dies führt zu dauernder Wiederholung von einander abwechselnden Kurzschluß- und Lichtbogenbildungen, was die Bildung eines beständigen Lichtbogens unmöglich macht. Wie auf Fig. 6 im einzelnen gezeigt ist, bewegt sich der Arbeitepunkt am Schweißbeginn von Punkt P-. nach Punkt P« und oszilliert dann, wie das die Pfeillinie angibt, aber verläuft nicht direkt bis zum beabsichtigten Arbeitspunkt P^. Die Art, in welcher die Kerne des magnetischen Verstärkers bei dieser Gelegenheit magnetisiert werden, ist in Fig. 7 dargestellt. Der Magnetisierungszustand der Verstärkerkerne vor dem Schweißbeginn ist durch Punkt P^ angegeben und sobald das Schweißen beginnt, wird der Magnetisierungszustand durch die auf dem Schweißstrom beruhenden Amperewindungen der Rückkopplungserregung zum Punkt P« verschoben und oszilliert dann wie durch die Pfeillinie in Fig. 7 angegeben ist.

Diese Schwingungserscheinung ist bei Belastung durch einen gewöhnlichen Widerstand vernachlässigbar, bei Belastung durch einen Schweißlichtbogen, der zur Kurzschlußbildung neigt, macht sie es aber unmöglich, einen stabilen Lichtbogen zu erhalten.

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Im Gegensatz dazu erhält man einen außerordentlich stabilen Lichtbogen, wenn ein Akkumulatorkreis, der z.B. einen Kondensator C und einen Widerstand B, enthält, in der Rückkopplungsschaltung Terwendet wird, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. In diesem Fall wird der Schweißstrom anfänglich von Punkt P-, zu Punkt Pp (Fig. 6) verschoben, aber der Magnetisierungszustand wird nicht unmittelbar zum Punkt P₂ von Fig. 7 verschoben, sondern bleibt bei P, in der Jähe von Punkt P_x,

Selbst wenn der Arbeitspunkt von Punkt Pp zu Punkt Pc oszilliert, geht er unter der Einwirkung des Widerstandes Β, und des Kondensators C über Punkt P* zu Punkt P, oder in dessen Umgebung, so daß der Lichtbogen sofort stabilisiert ist. In diesem Fall gibt der Akkumulatorkreis aus dem Kondensator C und dem Widerstand IU das Rückkopplungssignal des

Ausgangsstromes nicht an die Rückkopplungsspule N, zurück, sondern arbeitet als Energiespeicher für jedes momentan auftretende Überschußsignal und durch Abgabe der aufgespeicherten Energie als Energiequelle für jedes nachfolgende besonders kleine Signal, so daß man einen stabilisierten Ausgang erhält.

Die mit dem erfindungsgemäßen Lichtbogen-Schweißgträt ausgeführte Versuch· seigen, daß es die gewünschte in

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Fig, 8 dargestellte Ausgangs-Kennlinie aufweist, und daß es einen Schweißbogen bilden kann, der außerordentlich stabil ist und keine Schwingungserscheinung zeigt·

Im folgenden sind die für das Lichtbogen-Schweißgerät verwandten Leitungskonstanten angegeben:

Strom-Transformationsverhältnis

des Stromwandlers CT 500/1

Kondensator C 200OmF Widerstand R, 30 -Π-

Vorspannung durch Vorspann-Erregerspule N^ in Amperewindungen -18 Aw

Rückkopplung durch

Rückkopplungsspule ^± +3 Aw/100 A

Folgende Größen können bei dem erfindungsgemäßen Lichtbogen-Schweißgerät frei gesteuert werden:

1) Wenn der Spannungs-Stroa-Gradient der Ausgangskennlinie verändert wird, kann der Rückkopplungsgrad verändert werden, indem das Strom-Transformationsverhältnis des Stromwandlers CT verändert wird, indem die Anzahl der Windungen und die Polarität der Rückkopplungsspule N₁ verändert wird oder indem ein Widerstand im Nebenschluß zum Kondensator C eingesetzt wird·

2) Wenn bei festgehaltenen Gradienten nur die Spannung angthoben odtr abgesenkt werden soll» kann der Wert

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der Vorspannungserregung verändert werden, indem der Widerstand IL in Fig. 4 oder die Anzahl der Windungen der Vorspannungsspule N, verändert wird.

Zusammenfassend hat das erfindungsgemäße Lichtbogen-Schweißgerät u.a. folgende Vorteile, durch die es für die Anwendung auf verschiedenen Gebieten der Technik sehr wertvoll wird:

1) Die für einen stabilen Lichtbogen notwendigen,den Bogen-Kennlinien entsprechenden ansteigenden Ausgangs-Kennlinien können auf einfache und wirtschaftliche Weise erreicht werden.

2) Jede gewünschte Ausgangs-Kennlinie kann mühelos

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durch Einstellung der Leitungskonstante erreicht werden.

3) Die Regulierung der Schweißbedingungen ist sehr einfach und erfordert keine besondere Übung, da im Gegensatz zu jedem früheren System eine Optimalspannung automatisch erreicht werden kann, indem einfach der Ausgangsstrom verändert wird.

Selbstverständlich sind zahlreiche Abwandlungen und Veränderungen möglich, die alle in den Bahmen der Erfindung fallen. Zum Beispiel kann der Akkumulatorkreis, der in der beschriebenen Ausführungsform einen Kondensa-

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tor und einen Widerstand hat, in Form einer Kombination aus einem Kondensator und einem induktiTen Element, aus einem Widerstand und einem induktiven Element oder aus einem Kondensator, einem Widerstand und einem induktiven Element ausgebildet werden·

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Claims (1)

1. Patentanspruch

   Lichtbogen-Schweißautomat mit Gleichrichter-Netzgerät und Steuervorrichtung und einer sich im Betrieb verbrauchenden Elektrode, gekennzeichnet durch einen wechselstromseitig in dem Hauptstromkreis des Netzgerätes und der Steuervorrichtung vorgesehenen Stromwandler, durch einen in dieser Vorrichtung enthaltenen magnetischen Verstärker, durch eine, Gleichrichterelemente enthaltende für die Rückkopplung des Ausgangestroms der Vorrichtung über die Gleichrichter auf eine der Erregerspulen des magnetischen Verstärkers bestimate Rückkopplungsschaltung, durch einen mit einem Kondensator und einem Widerstand versehenen, mit der Bückkopplungsschaltung verbundenen Akkumulatorkreis und durch für das Anlegen einer bestimmten Vorspannung an den magnetischen Verstärker über eine andere ErregerspuLa desselben bestimmte Hilfsmittel.

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