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Schaltungsanordnung und Verfahren für Bolzen-Lichtbogenschweißgeräte
unter Verwendung von Magnetspulen Die Erfindung bezieht sich auf die Bolzen-Lichtbogenschweißung,
d. h. das Verfahren zum Anschweißen eines Metallbolzens an eine Metallplatte oder
einen anderen Bauteil, und zwar dadurch, daß ein Lichtbogen zwischen dem Ende des
Bolzens und der Platte zur Zündung gebracht wird, wobei man den- Lichtbogen brennen
läßt, bis das Ende des Zapfens und die entsprechende Fläche der Platte einen Schmelzzustand
erreicht haben, um dann den Zapfen fest anzudrücken und dadurch die Schwei-Bung
fertigzustellen. Üblicherweise wird der Schweißvorgang durch Schließen des Schweißstromkreises
eingeleitet, wobei der Bolzen an der Platte anliegt, woraufhin dann der Bolzen von
der Platte vermittels eines Magneten zurückgezogen wird, um den Lichtbogen zu zünden.
Nach einer vorherbestimmten Zeitdauer wird der Magnet abgeschaltet, und. der Bolzen
wird an die Platte vermittels einer Feder angedrückt. Bei einem der beiden,Hauptsteuerungssysteme
dieser grundsätzlichen Arbeitsweise ist der Magnet in Reihe mit dem Lichtbogen geschaltet,
wobei er den vollen Schweiß-
Strom während der gesamten Dauer des
Schweißvorganges aufnimmt. Dadurch wird eine starke bzw. schwere Wicklung für den
Magneten benötigt, und außerdem bedingt diese Schaltungsanordnung, daß der Lichtbogen
gelöscht wird, bevor der Bolzen nach der Platte zurückkehren kann. Bei dem anderen
der beiden Hauptsysteme wird der Magnet gesondert bzw. unabhängig für sich erregt
und kann daher abgeschaltet werden, ohne daß das Fließen des Schweißstromes beeinträchtigt
wird.
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Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Vorteile dieser
beiden Hauptsysteme miteinander zu verbinden und ein tragbares Bolzenschweißwerkzeug
zu schaffen, welches nur von einer einzigen Leistungsquelle gespeist wird und welches
dafür geeignet ist, Bolzen innerhalb eines weiten Größenbereiches zu schweißen.
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Die Erfindung betrifft demnach eine Schaltungsanordnung für elektrische
Lichtbogen-Bolzenschweißgeräte, bei denen eine Magnetspule das Zurückziehen des
Bolzens entgegen der Wirkung einer Feder bewirkt, und die Erfindung besteht darin,
daß die Magnetspule in Reihe mit dem Schweißstromkreis liegt und daher beim Schließen
des Stromkreises zunächst erregt wird und den Bolzen unter Zündung des Lichtbogens
bei verminderter Schweißstromstärke zurückzieht, und daß ein Kontaktgeber vorgesehen
ist, welcher sodann die Magnetspule kurzschließt, so daß nunmehr der volle Schweißstrom
im Lichtbogen zur Wirkung gebracht wird.
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Bei' dieser Anordnung wird dadurch, daß dereinen relativ hohen Widerstand
aufweisende Magnet anfänglich in Reihe mit dem Lichtbogen geschaltet ist, der Stromfluß
begrenzt, so, daß der Lichtbogen, wenn er zuerst gezündet hat, nur einen Steuerlichtbogen
abgibt, und sobald die Magnetspule dann kurzgeschlossen ist, steigt der Strom, welcher
im Lichtbogen fließt, auf den vollen Schweißwert an.
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Vorzugsweise wird in bekannter Weise eine zweite Magnetspule, welche
zweckmäßig eine Verlängerung oder einen Ansatz der ersten Spule bildet, parallel
zum Lichtbogen-derart geschaltet, daß sie erregt wird, um den Bolzen in der angehobenen
Stellung zu halten, sobald der Lichtbogen gezündet ist. Wenn somit der Schweißstromkreis
zuerst geschlossen wird, dann dient die erste Spule dazu, den Bolzen zurückzuziehen,
und wenn diese Spule kurzgeschlossen ist, dann wird der Bolzen in dieser Stellung
von der zweiten Spule gehalten.
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Um die Zeitdauer des Lichtbogens einzustellen oder zu begrenzen, kann
in bekannter Weise ein Zeitrelais vorgesehen werden, welches erregt wird, wenn der
Schweißstrom' zuerst geschlossen wird und sich nach einer vorherbestimmten Zeitdauer
dann öffnet, um das Relais zur Steuerung der zweiten Magnetspule und den Kontaktgeber
abzuschalten, welcher den ersten Magneten kurzschließt, um dadurch den vollen Schweißstrom
einzuschalten. Wenn sowohl das Relais als auch der Kontaktgeber übereinstimmende
Zeitkonstanten haben, dann öffnen sie gleichzeitig; der Schweißstrom wird also zur
selben Zeit abgeschaltet, wie der zweite Magnet, woraufhin der Bolzen beginnt, sich
auf das Schmelzbad zu bewegen unter der Wirkung der Feder. Wenn jedoch der Kontaktgeber
langsamer als das Relais anspricht, dann wird der Schweißstromkreis erst einige
Zeit nach Beginn der Rückkehrbewegung des Bolzens geöffnet. Wenn es erwünscht ist,
kann die Unterbrechung des Schweißstromkreises erst nach dem Einstoßen des Bolzens
in das Schmelzbad erfolgen.
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Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden
Zeichnung ausführlicher beschrieben werden, und zwar zeigt Fig. i teilweise im Schnitt
eine Ansicht eines Bolzenschweißhandgerätes und der zugehörigen Steuerungsschaltungsanordnung,
während Fig.2 bis 5 verschiedene Ausführungsformen der Steuerungsschaltungsanordnung
wiedergeben. Das in Fig. i gezeigte Bolzenschweißgerät ist mechanisch ähnlich demjenigen
ausgebildet, welches in der USA.-Patentschrift 2 413 189 beschrieben ist. Der Hauptunterschied
gegenüber dieser bekannten Ausführungsform des Werkzeuges liegt in der Anordnung
des Anhebemagneten. Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Werkzeug weist der Magnet
io einen festen Anker ii und einen beweglichen Anker z2 auf, die mittels einer Feder
13 auseinandergedrückt werden. Der bewegliche Anker 12 .ist mechanisch mit dem Spannfutter
2i für den Bolzen S verbunden, so daß dann, wenn der Magnet io erregt wird, der
Bolzen vom Werkstück W zurückgezogen wird, welches in der Form einer Metallplatte
dargestellt ist, gegen welche das Werkzeug vermittels eines Armbauteils L abgestützt
ist. Die Magnetspule io wird erregt oder gespeist vom Steuerkasten B her, und zwar
über Endleiter 1q. und 15 und einen Mittelleiter 16. Die Endleiter 1q. und 15 sind
mit dem Steuerkasten über ein Kabel 17 verbunden, welches im Handgriff des
Werkzeuges in einer solchen Weise angeordnet ist, daß die Endleiter 1q. und 15 durch
den Handgriff hindurch nach der Magnetspule io führen. Das Steuerkabel
17 führt noch weitere Leiter oder Adern, welche mit dem Druckknopf PB verbunden
sind, der zum Zwecke einer Handeinschaltung des Schweißkreislaufes am Handgriff
angeordnet ist.
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Die Magnetspule selbst ist aus dünnem Draht gewickelt, welcher nicht
in der Lage ist, den Hauptschweißstrom zu übertragen, und ein Schweißstromkabel
2o führt unmittelbar nach dem Spannfutter 2z für den Bolzen S, und zwar durch den
Handgriff des Werkzeuges hindurch zum Zwecke einer unmittelbaren Verbindung mit
dem Steuerkasten B. Das Teilstück der Spule io zwischen den Leitern 1q. und 16 ist
das Anhebeteilstück des Magneten (»erste Magnetspule«), welches in den nachfolgenden
Schaltungsschaubildern mit ioa bezeichnet ist, und das Teilstück der Spule zwischen
den Leitern 16. und 15- ist das Halteteilstück der Spule (»zweite Magnetspule«),
welches mit iob bezeichnet ist. In der Regel muß das Anhebeteilstück der Spule einen
etwas stärkeren Strom führen und ist daher aus etwas stärkerem Draht gewickelt.
Die
Steuerschaltungsanordnung, die innerhalb des Steuerkastens B von Fig. i gezeigt
ist, ist identisch mit dem Schaltungsschaubild gemäß Fig. 2 und kann am besten mit
Bezugnahme auf diese Figur beschrieben werden. Der Strom für den Schweißarbeitsgang
wird von einer Stromquelle P abgenommen, welche ein Motorgeneratorsatz, ein Gleichrichtersatz
oder eine andere Bauart einer Gleichstromschweißquelle sein kann. Die beiden Hauptzuführungsleitungen
von dieser Leistungsquelle sind mit 31 und 32 bezeichnet, und diese versorgen sowohl
das Werkzeug selbst als auch die Steuerschaltungsanordnung. Bei der Einleitung des
Schweißarbeitskreislaufes wird der Druckknopf PB gedrückt, um ein Zeitrelais TR
und außerdem über die normalerweise geschlossenen Kontakte des Zeitrelais ein Steuerrelais
CR zu erregen. Dieses Relais hat drei Kontaktsätze CRi, CR2 und CR3. Durch das Schließen
des Kontaktes CRl wird ein Stromkreis vom Leiter 31 über den Leiter 14 nach
der Magnetspule ioa hin und von dort über den Leiter 16, das Spannfutter 2i, den
Bolzen S und das Werkstück W nach dem Leiter 32 hin geschlossen. Die Erregung oder
Einschaltung der Spule ioa dient dazu, den Bolzen gegen die Wirkung der Feder 13
anzuheben, und ein Niederstromlichtbogen oder Steuerlichtbogen wird gezündet, da
die Spule ioa in Reihe mit dem Lichtbogen geschaltet ist. Sobald die Lichtbogenspannung
hergestellt ist, wird die Spule iob erregt, welche die Spule ioa dabei ablöst, den
Bolzen in seiner Aufwärtsstellung zu halten.
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Beim Schließen der Kontakte CR2 wird der Druckknopf PB kurzgeschlossen,
so daß das Zeitrelais und das Steuerrelais auch dann eingeschaltet bleiben, wenn
der Druckknopf freigegeben wird. Schließlich wird durch das Schließen der Kontakte
CR3 ein Hauptkontaktgeber C eingeschaltet, dessen Kontakte schließen und die Magnetspule
ioa kurzschließen. Sobald dies erfolgt, wird der Widerstand der Spule io" aus dem
Stromkreis herausgenommen, so daß der volle Schweißstrom fließen kann.
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Der Lichtbogen bleibt mit voller Schweißstromstärke über die notwendige
Zeit hinweg erhalten, um das Ende des Bolzens und die entsprechende Fläche des Werkstückes
in den Schmelzzustand zu bringen, und daraufhin öffnen sich zu einem Zeitpunkt,
welcher durch die Einstellung des Zeitrelais TR bestimmt ist, die normalerweise
geschlossenen Kontakte dieses Relais und schalten das Steuerrelais CR ab. Dieses
öffnet seinerseits den Stromkreis des Kontaktgebers C über seine Kontakte CR3, und
diese unterbrechen gleichzeitig den Schweißstrom und den Einschaltzustand der Haltespule
10b, so daß die Feder 13 beginnt, den Zapfen nach dem Werkstück zurückzubewegen.
Alle Bauteile oder Elemente der Schaltungsanordnung sind nunmehr wieder in ihrer
Ausgangsstellung und damit für das Schweißen des nächsten Bolzens bereit.
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Die Schaltungsanordnung gemäß Fig.3 ist im wesentlichen die gleiche
wie gemäß Fig: 2, jedoch mit der Ausnahme; daß die Spule 10h" statt Unmittelbar
mit der Leitung 32 über den Leiter 15 verbunden zu sein, über ein Zusatzkontaktpaar
CR4 am 'Steuerrelais CR verbunden ist. Durch die Betätigung des Druckknopfes PB
wird der Lichtbogen eingeleitet und der Bolzen in der gleichen Weise, wie im vorstehenden
beschrieben, angehoben. Am Ende des Schweißarbeitskreislaufes, wenn das Zeitrelais
TR seine normalerweise geschlossenen Kontakte öffnet, wird jedoch der Stromkreis
nach der Spule iob über die Kontakte CR4 unabhängig von der Öffnung des Hauptkontaktgebers
C geöffnet. Wenn das Steuerrelais und der Hauptkontaktgeber gleichzeitig öffnen,
dann ist die Steuerung die gleiche wie die nach Fig. 2. In der Regel wird der Hauptkontaktgeber
jedoch langsamer als das Steuerrelais ansprechen, und demzufolge wird die Spule
iob für die Einleitung der Absenkbewegung des Bolzens etwas früher abgeschaltet
als der Schweißstrom unterbrochen wird.
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Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. q. gibt eine weitere Abwandlung
der zugrunde liegenden Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 wieder und ist dadurch vereinfacht,
daß die Spule iob nicht mit der Leitung 32 verbunden ist. Sobald demzufolge der
Kontaktgeber C schließt, um den vollen Schweißstrom zuzuführen, und die Spule ioa
kurzschließt, wird der Bolzen nicht mehr in der Aufwärtsstellung gehalten und beginnt
augenblicklich, sich gegen das Werkstück abzusenken. Wenn daher die Einstellungszeit
des Zeitrelais TR länger als die Zeitdauer ist, die für das Absenken des Zapfens
verwendet wird, dann fließt der Schweißstrom auch noch weiter, nachdem der Zapfen
nach dem Werkstück zurückgekehrt ist, was in vielen Fällen vorteilhaft ist. Obwohl
diese Schaltungsanordnung außergewöhnlich einfach ist, hat sie den Nachteil, daß
keine Zeiteinstellung für den Lichtbogen selbst vorhanden ist, da die Absenkung
des Zapfens unmittelbar dann beginnt, wenn der volle Schweißstrom aufgebracht worden
ist.
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Das Schaltungsschaubild gemäß Fig. 5, welches eine weitere Abwandlung
desjenigen gemäß Fig. 2 wiedergibt, ermöglicht es ebenfalls, daß der Schweißstrom
weiterfließt während der Absenkung des Bolzens und wenn dies notwendig ist, auch
nachdem der Bolzen in das Schmelzbad eingestoßen ist; sie hat jedoch außerdem den
zusätzlichen Vorteil, daß auch die Zeitdauer des Lichtbogens eingeregelt werden
kann. Bei dieser Schaltungsanordnung sind die Kontakte CRl, statt mit in den Leiter
14: eingeschaltet zu sein, d. h. in die Verbindung nach dem linken Ende der Spule
ioa, in den Leiter 16 eingeschaltet, d. h. in den Weg nach dem rechten Ende der
Spule io, Der wesentliche Unterschied gegenüber dem Stromkreis gemäß Fig. 2 liegt
jedoch in der Tatsache, daß die Kontakte CR3 nicht unmittelbar den Hauptkontaktgeber
C steuern, daß sie aber statt dessen ein weiteres Verzögerungsrelais DR steuern,
welches wiederum den Hauptkontaktgeber C steuert.
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Wenn somit zunächst der Druckknopf PB eingedrückt wird, ist die Wirkung
die gleiche wie vorher, nämlich daß sowohl das Zeitrelais TR als auch
das
Steuerrelais CR eingeschaltet werden. Durch das Schließen der Kontakte CR3 wird
dann das weitere Zeitverzögerungsrelais DR eingeschaltet, um den Hauptkontaktgeber
C zu schließen und dadurch die Strömung des Hauptschweißstromes einzuleiten. Nach
einem Zeitabschnitt, der durch das Einstellen des Relais TR bestimmt ist, wird das
Steuerrelais CR abgeschaltet. Dieses öffnet die Kontakte CR4; um die Haltespule
lob abzuschalten und das Absenken des Bolzens einzuleiten: Der Hauptschweißstrom
wird jedoch nicht unterbrochen, da der Hauptkontaktgeber C für einen weiteren Zeitabschnitt
geschlossen bleibt, welcher von der Einstellung des Relais DR abhängt. Dieses Relais
wird durch das öffnen der Kontakte CR3 aberregt, öffnet jedoch nicht seine eigenen
Kontakte für einen weiteren Zeitabschnitt. Wenn dieser weitere Zeitabschnitt kürzer
als die Zeit ist, die für das Absenken des Bolzens verwendet wird, dann wird der
Schweißstrom unterbrochen, bevor der Bolzen das Werkstück erreicht; wenn jedoch
der Zeitabschnitt auf einen Wert eingeregelt wird, der größer als derjenige ist,
welcher für das Absenken verwendet wird, dann fließt der Schweißstrom weiter, nachdem
der Bolzen nach dem Werkstück zurückgekehrt ist.
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Bei allen diesen unterschiedlichen Schaltungsanordnungen wird der
Lichtbogen durch einen relativ kleinen Strom gezündet, welcher durch das Anhebeteilstück
loa der Magnetspule hindurchfließt, das in Reihe mit dem Bolzen und dem Werkstück
geschaltet- ist. Durch das Schließen des Kontaktgebers C für die Einschaltung des
Hauptschweißstromes wird die Anhebespule kurzgeschlossen, damit der Hauptschweißstrom
durch den Lichtbogen hergestellt wird, welcher durch den vorerwähnten kleinen Steuerstrom
hervorgebracht worden ist. Der Lichtbogenzündungsstrom wird über den Schweißarbeitskreislauf
hinweg nicht beibehalten und wird dem Schweißstrom nicht überlagert. Es werden also
sowohl der Lichtbogen-Zündungs- und Bolzen-Anhebestrom als auch der Schweißstrom
von einer einzigen Leistungsquelle erhalten, und es ist somit verständlich, daß
mit der Anzahl Einregelungsmöglichkeiten ein außergewöhnlich anpassungsfähiges System
gebildet wird, welches alle Vorteile der bisher bekannten Systeme aufweist.
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Obwohl die Erfindung in erster Linie in Verbindung mit dem Schweißen
von Bolzen beschrieben worden ist, können die Anordnung und das Verfahren gleich
vorteilhaft für eine Bolzenhartlötung verwendet werden. In diesem Fall wird der
Stift mit einer Spitze aus Hartlotmetall versehen; jedoch ist das verwendete Verfahren
identisch mit dem zuvor beschriebenen, und alle Hinweise auf die Bolzenschweißung
sollen derart verstanden i werden, daß ein Bolzenhartlöten mit eingeschlossen ist.