DE1690561B2 - Verfahren und Stromquelle zum Lichtbogenschweissen mit abschmelzender Elektrode mit periodisch pulsierendem Schweißstrom - Google Patents

Description

gleiche Stärke wie die Grundamplitude 4 besitzen. An der Grundamplitude 2 schließt sich zum Zeitpunkt ti die Nebenamplitude 3 an, welche bis zum Zeitpunkt to dauert. Nun beginnt wieder ein neuer Zyklus, der aus der Grundamplitude 4, der Hauptamplitude 1, der Grundamplitude 2 und der Nebenamplitude 3 besteht. Ein Arbeitszyklus dauert also von Zeitpunkt to bis Zeitpunkt to. Diese drei wesentlich unterschiedlichen Amplitudenwerte in Form zweier Grund-, einer Neben- und einer Hauptamplitude ergeben sich bei Verwendung der Anordnung wie sie in der F i g. 4 gezeichnet ist. Diese Anordnung wird später noch näher beschrieben. In der unter dem Diagramm der F i g. 1 gezeigten Darstellung ist zum Zeitpunkt t\ — zu Beginn der Hauptamplitude 1 — am Ende der Elektrode 5 ein Teil 6 des Materials geschmolzen. Das Material ist nicht von der vorhergehenden Grundamplitude 4, sondern von der zeitlich davorliegenden Nebenamplitude 3 aufgeschmolzen worden. Im Zeitraum ii bis ti wird durch die Einwirkung der Hauptamplitude 1 noch mehr Material geschmolzen, so daß bis spätestens zum Zeitpunkt ti das Material in Form eines einzigen Tropfens 7 vom Ende der Elektrode 5 abgelöst wird. Dies ist durch die strichlinierte Linie zwischen dem oberen Diagramm und der unteren Darstellung gezeigt. Während der Dauer der nachfolgenden Grundamplitude 2 zwischen den Zeitpunkten ti und ti befindet sich das Material 7 in Tropfenform auf dem Wege zwischen der Elektrode 5 zum Werkstück 8. In dieser Zeit ist die Schweißstromstärke so niedrig, daß praktisch kein Aufschmelzen von weiterem Material am Ende der Elektrode 5 erfolgt. Während des Auftretens der nachfolgenden Nebenamplitude 3 im Zeitraum /3- to wird der Materialtropfen 7 in Richtung Werkstück 8 beschleunigt. Die Nebenamplitude 3 verflüssigt gleichzeitig einen Teil des Materials am Elektrodenende 6, so daß seine Ablösung im zeitlich folgenden Arbeitszyklus durch die Hauptamplitude 1 vorbereitet wird. Nach Beendigung der Nebenamplitude 3 beginnt der nächste Arbeitszyklus, der aus den gleichen Amplituden 4,1,2,3 besteht.

Der Vergleich der F i g. 2 und 3 zeigt den Selbstregeleffekt. In der F i g. 2 ist als Beispiel das Verhältnis der Scheitelwerte der Hauptamplitude 1 und der Grundamplitude 2 mit 10:1 dargestellt. Das Verhältnis der Scheitelwerte der Nebenamplitude 3 und der Grundamplitude 2 ist mit 3 : 1 gezeichnet. Das Verhältnis der Scheitelwerte der Grundamplituden 2 und 4 ist annähernd 1:1. Weiter geht aus der F i g. 2 hervor, daß während der Grundamplitude 4 der Schweißstrom kurzzeitig auf einen solchen Wert abgesenkt wird, der zur Erhaltung eines stetig brennenden Lichtbogens nicht mehr ausreicht. Diese Verhältnisse sind ein typisches Beispiel für spezifisch niedrige Strombelastung der Elektrode 5. Hierbei ergibt sich ein guter Materialübergang, der mit den in der F i g. 1 beschriebenen Hauptamplituden 1 synchron läuft. Außerdem wird das flüssige Material im Schweißbad 8 infolge der impulsartigen Einwirkungen der einzelnen Amplituden günstig beeinflußt.

Wenn nun mit einer höheren, mittleren spezifischen Strombelastung der Elektrode 5 geschweißt werden soll, welche sich lediglich durch Ändern der Schweißspannung und des Drahtvorschubes ergibt, so erhält man z. B. das in der F i g. 3 gezeigte Verhältnis der Scheitelwerte der Hauptamplitude 1 und der Grundamplitude 2 von 7 :1 und das Verhältnis der Scheitelwerte der Nebenamplitude 3 und der Grundamplitude 2 von 5:1. Dieses automatische Einstellen der neuen Verhältnisse bei mittlerer spezifischer Strombelastung der Elektrode 5 erhält man lediglich durch entsprechendes Einstellen der Schweißspannung und Einregulierung des Drahtvorschubes. Letzteres wird bei der F i g. 4 näher beschrieben. Hier sei jedoch darauf hingewiesen, daß durch die Anordnung der Impedanzen in den sekundärseitigen Wechselstrom führenden Phasen des Gerätes nach F i g. 4 die automatische Einstellung der verschiedenen Verhältnisse zwischen den Scheitelwerten der Hauptamplitude 1 und der Grundamplitude 2 sowie der Nebenamplitude 3 und der Grundamplitude 2 automatisch erfolgt. Selbstverständlich ändert sich der Scheitelwert der Grundamplitude 4 gleichsinnig mit dem Scheitelwert der Grundamplitude 2. Aus diesem Grunde sind, wie später noch näher beschrieben wird, diese Impedanzen aus kornorientierten Blechkernen aufgebaut. Bei noch höherer spezifischer Strombelastung der Elektrode 5 ändert sich das Verhältnis noch mehr, wie es in der F i g. 3 gezeigt ist.

In der F i g. 4 ist das Schaltbild eines Gerätes dargestellt, mit dem das vorhin beschriebene Verfahren durchgeführt werden kann. Dieses Gerät besteht aus dem Transformatorsystem 9 und der Gleichrichteranordnung 10 mit den dazwischengeschalteten Impedanzen 11, 12, 13. Die Netzspannung zur Stromversorgung wird an die Anschlüsse 14,15,16 angeschlossen. An den Primärwicklungen 17, 18, 19 des Transformatorsystems 9 sind Anzapfungen 20, 21, 22 vorgesehen. Diese Anzapfungen dienen zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Transformatorsystems 9 und somit zur Änderung der Ausgangspannung der gesamten Einrichtung an den Klemmen 23, 24. Die Sekundärwicklungen 25,26,27 des Transformatorsystems sind beispielsweise im Dreieck geschaltet und magnetisch mit der Primärseite des Systems verbunden. Durch die Anordnung der Impedanzen 11, 12, 13 gemäß dieser Figur erhält man die in den Fig. 1, 2, 3 gezeigten, wesentlich unterschiedlichen Amplituden in Form zweier Grund-, einer Neben- und einer Hauptamplitude. Diese Impedanzen sind so dimensioniert, daß die Scheitelwerte der einzelnen Amplituden die bereits erwähnten Größen annehmen und somit einen einwandfreien und gleichmäßigen Materialtransport von der Elektrode 5 auf das Werkstück 8 gewährleisten. Der Impedanz 13 liegt ein Schalter 28 parallel. Die Funktionsweise dieses Schalters ist folgende: Bei geöffnetem Schalter 28, so wie er gezeichnet ist, wird jede zweite Halbwelle derjenigen Phase, weiche die Hauptamplitude 1 erzeugt, geschwächt. Diese geschwächte Amplitude stellt automatisch die Nebenamplitude 3 dar. In diesem Falle erscheint an den Ausgängen 23 und 24, bzw. zwischen der Elektrode 5 und dem Werkstück 8, die Hauptamplitude 1 und die Nebenamplitude 3 mit der an den Klemmen 14, 15, 16 angelegten Netzfrequenz, z. B. 50 Hz. Bei geschlossenem Schalter 28, d. h. Impedanz 13 ist überbrückt, erscheint an den Klemmen 23 und 24, und somit an der Elektrode 5 und an dem Werkstück 8, die Hauptamplitude 1 mit doppelter Netzfrequenz, z. B. 100 Hz. In diesem Fall wird der mittlere Teil der Grundamplituden 2, 4 zu Nebenamplituden vergrößert. Der neue Amplitudenverlauf enthält — zeitlich gesehen — praktisch nur noch Haupt- und Nebenamplituden, so daß das Gerät bei dieser Stellung des Schalters 28 selbstverständlich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht mehr geeignet ist. Die Intervalle der Grundamplituden 2,4 sind auf eine sehr kurze Zeit reduziert. Mit der vorerwähnten erhöhten Netzfrequenz werden vorwiegend die Strombereiche, die

einer mittleren spezifischen Drahtbelastung entsprechen, erfaßt. Auf Grund des höheren Materialangebotes ist hierbei jedoch auch eine zeitlich kürzere Aufeinanderfolge der Haupt- und Nebenamplituden erwünscht, d. h„ die Zeitabschnitte, während welchen praktisch kein Material aufgeschmolzen wird, fallen hierbei wunschgemäß fast weg.

Dieser geschilderte Verlauf der Amplituden für beide Frequenzen kann vorteilhafterweise durch die Verwendung von kornorientierten Blechen als Kerne der Impedanzen 11 und 12 erreicht werden.

Die Impedanzen 11, 12 können induktive Widerstände mit einem ohmschen Wirkanteil sein, wie z. B. Drosselspulen. Es ist auch daran gedacht worden, diese Impedanzen als LC-Stromkreise in Form von Reihenresonanz- oder Parallelresonanzkreisen auszubilden. Selbstverständlich können auch diese Impedanzen 11, 12 als vorwiegend kapazitive Widerstände, z. B. Kondensatoren, ausgebildet sein. Hierdurch wird eine zeitliche Verschiebung der einzelnen Amplituden untereinander erreicht. Vorzugsweise wird natürlich nur eine dieser beiden Impedanzen als vorwiegend kapazitiver Widerstand ausgebildet werden, so daß auch nur eine Amplitude zeitlich verschoben wird. Darüber hinaus können auch beide Impedanzen oder auch nur eine als Transduktor ausgebildet sein. Die Impedanz 13, welche im Halbwellenstrom führenden Zweig des Gleichrichtersatzes 10 angeordnet ist, kann ein vorwiegend induktiver Widerstand sein oder in Form eines Transduktors aufgebaut sein. Es ist auch daran gedacht worden, daß diese Impedanz 13 ein stufenlos einstellbarer rein ohmscher Widerstand ist, wie z. B. ein Potentiometer. Durch diese besonderen Ausbildungen der Impedanz 13 ist es also möglich, daß die Ausbildung der Nebenamplitude 3 variierbar ist. Hierdurch ergibt sich eine Änderung der mittleren Ausgangsspannung an den Klemmen 23 und 24. Selbstverständlich ist dieser Effekt nur ausnutzbar, wenn der Schalter 28 geöffnet ist, d. h. wenn die Impedanz 13 im Stromkreis liegt.

Bei dem Gerät nach F i g. 4 können die einzelnen Bauelemente selbstverständlich ohne weiteres durch ähnliche Bauelemente ersetzt werden. Zum Beispiel kann das Transformatorsystem 9 durch einen Drehstromgenerator ersetzt werden. Selbstverständlich können auch die Dioden, welche in der F i g. 4 im Gleichrichter 10 eingezeichnet sind, durch steuerbare Gleichrichter — sogenannte Thyristoren — ersetzt werden. Hierdurch erhält man eine sehr günstige Spannungsregulierung innerhalb von engen Bereichen, ohne daß die Amplitudenverhältnisse, wie sie in den F i g. 1 bis 3 beschrieben worden sind, wesentlich verändert werden. Außerdem können den Primärwicklungen 17, 18,19 Transduktoren vorgeschaltet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Lichtbogenschweißen in einer im wesentlichen inerten Schutzgasatmosphäre mit abschmelzender Elektrode mit periodisch pulsierendem Schweißstrom, bestehend aus Perioden aneinander anschließender Impulse gleicher Polarität mit drei unterschiedlichen Amplitudenwerten, die so gewählt werden, daß durch den ersten Impuls mit dem kleinsten Amplitudenwert (Grundamplitude) der Lichtbogen ohne wesentliches Aufschmelzen des Materials am Elektrodenende aufrechterhalten wird, durch den anschließenden Impuls mit dem mittleren der drei Amplitudenwerte (Nebenamplitude) jeweils ein Teil des Materials am Elektrodenende für den nachfolgenden Ablösevorgang geschmolzen wird und den folgenden Impuls mit dem größten Amplitudenwert (Hauptamplitude) jeweils geschmolzenes Material in Form eines Tropfens vom Elektrodenende abgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Nebenamplitude (3) und der Hauptamplitude (1) eine weitere Grundamplitude (4), während welcher der Schweißstrom (i) kurzzeitig auf einen Wert absinkt, der zum Aufrechterhalten eines stetig brennenden Lichtbogens nicht mehr ausreicht, vorgesehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Hauptamplitude (1) und Nebenamplitude (3) so aufeinander abgestimmt werden, daß die Nebenamplitude (3) den noch im Lichtbogen befindlichen Materialtropfen (7) der vorangegangenen Ablösung in Richtung Schweißbad beschleunigt.

3. Stromquelle zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, bestehend aus einer dreiphasigen Wechselstromquelle, der über Impedanzen eine Gleichrichterbrücke nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in zwei der drei Ausgangsleitungen der Wechselstromquelle (9) je eine Impedanz (11, 12) und in einen der mit der dritten Ausgangsleitung verbundenen Brückenzweige einen Impedanz (13) eingeschaltet sind.

4. Stromquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen (11, 12) in den Wechselstrom führenden Leitern des Transformatorsystems (9) Kerne aus kornorientierten Blechen enthalten, wodurch bei ansteigender mittlerer Schweißstromstärke das Verhältnis der Scheitelwerte von Haupt- und Nebenamplitude automatisch von etwa 4:1 auf nahezu 1 :1 geändert wird und gleichzeitig die Kurvenformen der Amplituden beeinflußt werden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lichtbogenschweißen in einer im wesentlichen inerten Schutzgasatmosphäre mit abschmelzender Elektrode mit periodisch pulsierendem Schweißstrom, bestehend aus Perioden aneinander anschließender Impulse gleicher Polarität mit drei unterschiedlichen Amplitudenwerten, die so gewählt werden, daß durch den ersten Impuls mit dem kleinsten Amplitudenwert (Grundamplitude) der Lichtbogen ohne wesentliches Aufschmelzen des Materials am Elektrodenende aufrechterhalten wird, durch den anschließenden Impuls mit dem mittleren der drei Amplitudenwerte (Nebenamplitude) jeweils ein Teil des Materials am Elektrodenende für den nachfolgenden Ablösevorgang geschmolzen wird und den folgenden Impuls mit dem größten Amplitudenwert (Hauptamplitude) jeweils geschmolzenes Material in Form eines Tropfens vom Elektrodenende abgelöst wird.

Ein solches Verfahren ist durch die BE-PS 6 87 319 bekannt.

Beim Erniedrigen des Strommittelwertes geht dort

ίο die ursprüngliche Wirkung der Nebenhalbwelle und der Haupthalbwelle (Anschmelzen der Elektrodenspitze bzw. Ablösen eines Tropfens von der Elektrodenspitze) bei Unterschreiten eines bestimmten Wertes verloren, so daß der Zeitpunkt der Tropfenablösung nicht mehr definiert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei diesem bekannten Verfahren diese Schwierigkeiten zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß zwischen der Nebenamplitude und der Hauptamplitude eine weitere Grundamplitude, während welcher der Schweißstrom kurzzeitig auf einen Wert absinkt, der zum Aufrechterhalten eines stetig brennenden Lichtbogens nicht mehr ausreicht, vorgesehen wird.

Ein definierter Zeitpunkt für die Tropfenablösung läßt sich dabei auch bei weiterer Erniedrigung der mittleren Strombelastung dadurch erreichen, daß Hauptamplitude und Nebenamplitude so aufeinander abgestimmt werden, daß die Nebenamplitude den noch im Lichtbogen befindlichen Materialtropfen der vorangegangenen Ablösung in Richtung Schweißbad beschleunigt. Gute Ergebnisse lassen sich dabei mit einer Nebenamplitude mit einem 1,2- bis 7fachen Scheitelwert des maximalen Wertes der ersten Grundamplitude und einer Hauptamplitude mit einem 2,5- bis lOfachen Scheitelwert des maximalen Wertes der ersten Grundamplitude erreichen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Stromquellen sind in den Patentansprüchen 3 und 4 gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schema des zeitlichen Verlaufs der Amplitudenwerte des Schweißstromes zwischen der Elektrode und dem Werkstück; unterhalb dieses Kurvenverlaufes sind die zeitlich aufeinanderfolgenden Vorgänge bei der Materialablösung und Übertragung im Lichtbogen dargestellt,

F i g. 2 ein Schema einer typischen Amplitudenrelation bei niedrigem Mittelwert des Schweißstromes,

F i g. 3 ein Schema einer typischen Amplitudenrelation bei höherem mittleren Schweißstrom,

F i g. 4 ein Schaltbild eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Schweißgerätes.

Die beiden Darstellungen der F i g. 1 zeigen den Zusammenhang zwischen dem zeitlichen Verlauf des Schweißstromes /' und dem Materialübergang zwischen der Elektrode und dem Werkstück. Auf der Ordinate der oberen Darstellung ist die Stromstärke / und auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen. Zum Zeitpunkt ίο beginnt die Grundampütude 4. Dieser schließt sich die Hauptamplitude 1 zum Zeitpunkt ii an, welche bis zum Zeitpunkt ti andauert. Die Hauptamplitude 1 hat eine wesentlich höhere Stärke als die Grundamplitude 4. Zum Zeitpunkt ti beginnt die Grundamplitude 2 und dauert bis n. Die Grundamplitude 2 kann ungefähr die