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Verfahren und Anordnung zum Aufschweißen von metallischen Bolzen od.
dgl. auf Metallplatten mittels des elektrischen Lichtbogens einer Gleichstromschweißanlage
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gleichstromschweißverfahren zum elektrischen.
Aufschweißen von metallischen Stiftschrauben, Rohren, Nieten, Bolzen u. d!gl. -
im folgenden kurz als »Bolzen« bezeichnet - auf metallische Platten, Bänder und
sonstige Körper - im folgenden kurz als »Platten« bezeichnet - sowie auf eine Anordnung
zur Ausübung dieses Verfahrens.
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Bei den bekannten, diesen Zwecken dienenden und allgemein angewandten
Schweißverfahren werden der Bolzen und die Platte als Elektroden in den Schweißkreis
eingeschaltet. Alsdann wird zwischen ihnen ein Lichtbogen erzeugt, indem der Bolzen
mit der Platte in Berührung gebracht und um eine vorgegebene kurze Strecke von der
Platte entfernt wird, um den Lichtbogen auszuziehen.
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Dieser Lichtbogen wird so lange aufrechterhalten, bis die miteinander
zu verschweißenden Oberflächen auf die erforderliche Schweißtemperatur gebracht
sind, und schließlich wird der Bolzen auf die Platte aufgepreß.t, wobei der Schweißstrom
in dem Schweißstromkreis so lange aufrechterhalten wird, wie dies für die Herstellung
einer hinreichenden Schweißung erforderlich ist.
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Auf diese Weise können von einem erfahrenen Schweißer mit beliebigen
Metallen oderLegierungen
in vielen Fällen hinreichend befriedigende
Schweißungen hergestellt werden. Schwierigkeiten, die nur schwer oder überhaupt
nicht gemeistert werden können, ergeben sich jedoch stets dann, wenn die Platte
verhältnismäßig dünn und/oder wenn ihre Oberfläche sehr schuppig oder verrostet
ist oder mit einer mehr oder minder dicken Farbschicht bedeckt ist.
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In diesen Fällen besteht einmal die Gefahr, daß durch zu hohe Stromstärke
in der dünnen Platte ein Loch entsteht, und zum anderen erzeugt der schlechte Kontakt
zwischen dem Bolzen und der Platte einen hohen elektrischen Kontaktwiderstand mit
dem Ergebnis, daß beim Schließen des Schweißstromkreises durch die hohe Stromstärke
der Bolzen vorzeitig zum Schmelzen gebracht wird und daß das geschmolzene Metall
durch die verhältnismäßig große Masse der Platte .abgekühlt wird und erstarrt, bevor
der Bolzen von der Platte abgehoben ist. In diesen Fällen wird der Bolzen sogleich
fest mit der Platte verbunden und kann nicht mehr entfernt werden.
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Bei dem Schweißverfahren gemäß der Erfindung wird die stets einwandfreie
Güte der Schweißung durch die Beschaffenheit der Plattenoberfläche und die Dicke
der Platte in keiner Weise beeinträchtigt. Mit dem Verfahren der Erfindung wird
mit Sicherheit erreicht, daß der Bolzen zum Zwecke der Bildung eines elektrischen
Lichtbogens, dessen Stromstärke durch einen anfangs eingeschalteten Widerstand begrenzt
ist, von der Platte wieder entfernt werden kann.
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Außerdem wird eine bessere Überwachung des Schweißgerätes und des
Schweißwerkzeuges erreicht und dadurch der beabsichtigte Zweck erzielt.
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Die Erfindung hat besonders in Schiffswerften und ähnlichen Anlagen,
die dem Wettereinfluß ausgesetzt sind, eine erhebliche Bedeutung; denn. insbesondere
bei derartigen Anlagen sind schuppige und verrostete Plattenoberflächen sehr häufig,
und die Kosten für die Beseitigung von Überzügen jeglicher Art, Rostschichten u.
dgl. zwecks Erzielung einer sauberen Plattenoberfläche, wie sie bei den bisherigen
Schweißverfahren erforderlich ist, sind wirtschaftlich nicht tragbar.
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Gemäß dem Verfahren der Erfindung wird, wenn der Bolzen und die Platte,
zwischen denen der Lichtbogen hergestellt werden soll, miteinander in Berührung
gebracht werden, die Stromstärke im Sch-,veißstro:mlereis bei voller Spannung so
begrenzt, daß nur ein schwacher Strom in dem Schweißstromkreis fließt, durch den
keine unkontrollierbare Erhitzung des Bolzens und der Platte hervorgerufen werden
kann. Die Stärke dieses Kontaktstromes wird durch einen in dem Schweißstromkreis
liegenden Widerstand bestimmt, der während des eigentlichen Schweißvorganges kurzgeschlossen
wird.
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Wird der Bolzen, während noch der Widerstand im Schweißstromkreis
liegt, von der Platte abgehoben, so entsteht ein nur einen geringen Bruchteil der
Stärke des Schweißlichtbogens besitzender einleitender Lichtbogen, der bei Kurzschließen
des in dem Schweißstromkreis liegenden @,#'iderstitncle: schlagartig auf die volle
Stromstärke des @ch@@eil,llichtbogens gesteigert wird.
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Der in dem Schweißstromkreis liegende @`'id erstand ist zweckmäßig
eine Induktanz, deren Ohrnscher Widerstand die Größe des KOritalitstromLs txnd die
Größe des Lichtbogenstromes begrenzt, anderseits aber dafür sorgt, daß der schwache
Lichtbogen nicht durch äußere Einflüsse unerwartet erlischt.
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Es ist zweckmäßig, die Induktanz, die vorteilhafterweise regulierbar
ist, mittels eines Kontaktes oder Schaltorganes anzuschließen, durch das der Schweißstrom
normalerweise geschlossen wird. und das Schließen dieses Kontaktes oder Schaltorgans
so lange zu verzögern, bis der Bolzen von der Platte entfernt worden ist, um den
stromschwachen Lichtbogen auszuziehen.
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Während bei den bisher bekannten Schweißverfahren und -vorrichtungen
das Stromzeitdiagramm in starkem Maße von äußeren Umständen, wie beispielsweise
der Beschaffenheit der Oberfläche der Platte und in besonders hohem Maße von dein
Können und der Erfahrung des Schweißers abhängig war, werden diese Einflüsse bei
dem Verfahren gemäß der Erfindung praktisch vollkommen ausgeschaltet. Dies geschieht
im wesentlichen durch eine Zeitsteuervorrichtung, die überhaupt erst zu laufen beginnt,
sobald der Kontaktstrom einen bestimmten vorgegebenen Wert erreicht hat.
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Der erste Schaltschritt dieses Zeitrelais bewirkt, daß der Bolzen,
nachdem der Kontaktstrom noch eine bestimmte vorgegebene Zeit oberhalb des Anfangswertes
geflossen ist, von der Platte abgezogen wird, wobei sich der einleitende Lichtbogen
bildet, dessen Stromstärke durch die vorstehend erwähnte Impedanz bestimmt wird.
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Nach einer weiteren ebenfalls vorgesehenen, auf kleinste Bruchteile
einer Sekunde einstellbaren Zeitspanne wird die Impedanz kurzgeschlossen, und der
Schweißstrom kann schlagartig auf seinen vollen Wert ansteigen und verbleibt auf
dieser Höhe während einer je nach den Umständen einstellbaren Zeitspanne, um dann,
nachdem der Bolzen auf die Platte aufgepreßt ist, noch für eine ebenfalls einstellbare
Zeitspanne als Kurzschlußstrom bis zur Beendigung des Schweißvorganges zu fließen.
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Es kann erfindungsgemäß notwendig sein, das Arbeiten der Lichtbogenzeit-Steuervorrichtung
so lange zu verzögern, bis der Hauptkontakt geschlossen worden ist, oder sein Schließen
abhängig zti machen von einer Funktion der Lichtbogenzeit-Steuervorrichtung.
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Für die Erleichterung des Arbeitens mit einer zur Ausübung des Verfahrens
dienenden Vorrichtung ist es wünschenswert, den ganzen Schweißprozeß durch die Betätigung
eines an dem Schweiß -werkzeug (Handgerät) angeordneten Druckknopfschalters od.
dgl. in Gang zu setzen.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, das Schließen des Hauptkontaktes des
Schweißstromkreises elektromagnetisch zu bewirken, und zwar durch die Z'erwendung
des
Stromes, der in dem die Induktaiiz enthaltenden Stromkreis fließt. Das so betätigte
elektromagnetische Organ kann direkt dazu dienen, den Hauptkontakt zu schließen,
oder es kann die Zeitsteuervorrichtung in Gang setzen, die ihrerseits dann das Schließen
des Hauptkontaktes bewirken kann.
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Alles Nähere über diie Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, auf der ein Schaltschema für ein Schweißgerät
gemäß der Erfindung beispielsweise dargestellt ist.
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In den federbelasteten Bolzenhalter 6 des gestrichelt dargestellten
Schweißwerkzeuges t wird der auf die Platte 3 aufzuschweißende Bolzen 2 eingespannt.
In dem Schweißwerkzeug i befindet sich die Magnetspule 4., durch die der in dem
Bolzenhalter 6 eingespannte Bolzen 2 von der Platte 3 abgezogen werden kann, wenn
das Werkzeug i mit seinen ebenfalls angedeuteten Füßen auf die Platte 3 aufgesetzt
ist.
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Der Schweißstromkreis geht voll der Ansch.lußklemme 5 über den durch
den Elektromagneten 8 betätigten Hauptkontakt 7 und den Stufenwiderstand 9, in den
das Schweißkabel io des Werkzeug. -s i eingesteckt wird, zu dem Bolzen 6 des Werkzeuges.
Die Platte 3 ist mit einem Rückleiter i i verbunden oder kann gegebenenfalls geerdet
sein. Die Steuerung der Schweißvorrichtung erfolgt durch besondere Steuerstromkreise.
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Der Hauptsteuerstromkreis geht von der Steuerstromanschlußklemme 12
durch die Magnetspule 8 über die Leitung 40, Kontakt 39, Leitung 41 und Leitung
13 zu dem als Druckknopfschalter ausgebildeten Steuerschalter 14 des Schweißwerkzeuges
i und von dort durch die Leitung 15 zu der Rückleitung 16.
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Eine zweite Leitung 17 geht von der Klemme 12 zu den I3 ilfskontakten
18 am Hauptkontakt 7. Eine Leitung i9 verbindet die Kontakte i8 mit dem Relais
2o der Zeitsteuervorrichtung 21, die nach der Kondensatorlademethode arbeiten kann.
Der Kondensator 22 und die Relaisspule 23 erhaltLi ihren Strom über die Leitung24,
denWiderstand 25 und den Zeiteinstellwiderstand 26 und sind mit einer Rückleitung
27 verbunden. Die Leitungen 28 und 29 dienen der Stromzuführung zu dür Magnetspufe
4.
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Um mit dieser Prinzipschaltung die einzelnen durch das Verfahren der
Erfindung geforderten Schaltschritte zu dem richtigen Zeitpunkt ausführen zu können,
wird der Hauptkontakt 7 durch einen Stromkreis überbrückt, der die Leitungen 34
und 35 umfaßt, die durch den elektromagnetisch betätigten, für gewöhnlich aber offenen
Schalter 36 miteinander verbunden sind. In diesem iVebenschlußstroinkreis liegt
die veränderliche Stufeninduktan i 37 und parallel zu ihr die Magnetspule 38 des
Schalters 39. Der Schalter 39 ist durch die Leitungen 4o und 41 mit der Leitung
13 und über die Magnetspule 8 mit der Klemme 12 verbunden.
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Die Magnetspule 42 des Schalters 36 ist durch die Leitung 43 Tiber
das Relais 2o der- Zeitsteuervorrichtung 21 mit der Leitung 13 und auf diese
"'eise mit dem Druckknopfschalter 14 des Schweiß -werkzeuges i sowie durch die Leitung
44 mit der Steuerstromanschlußklemme 12 verbunden.
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Ein zweites Paar von Hilfskontakten 45 des Hauptkontaktes 7 ist mit
den Leitungen 4o und 41 verbunden. Die Kontakte 18 und 45 sind so eingestellt, daß
sie geschlossen werden, bevor sich der Hauptkontakt 7 schließt. Die Arbeitsweise
der ganzen Schweißvorrichtung ist in großen Zügen die folgende: Wenn der Druckknopfschalter
14 des Schweißwerkzeuges i geschlossen wird, wird die Magnetspule 42 des Schalters
36 unter Strom gesetzt und der Schalter 36 geschlossen, so daß der Strom (Kontaktstrom)
von der Klemme 5 durch den Stromkreis fließt, der durch die Leitung 34, die Induktanz
37, den Schalter 36 und die Leitung 35 gebildet wird, und von dort über den Widerstand
9, die Leitung io, den Bolzen 2 und die Platte 3 zu der Rückleitung i i führt.
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Innerhalb des Schweißwerkzeuges i befindet sich der federbelastete
Kontakt 33, der, solange der Bodzenhalter 6 den noch nicht abgeschmolzenen Bolzen
2 auf die Platte 3 setzt und wenn der Bolzenhalter 6 den Bolzen 2 zwecks Erzeugung
des Lichtbogens von der Platte 3 abhebt, geschlossen ist, sich aber öffnet, sobald
der Bolzenhalter 6 beim Au.fpressen des teilweise abgeschmolzenen Bolzens 2 auf
die Platte 3 tiefer sinkt als bei Beginn des Schweißprozesses.
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Zu gleicher Zeit fließt Strom durch die Magnetspule 38, die dadurch
in Tätigkeit tritt und den Schalter 39 schließt, so daß der Strom durch die Magnetspule
8 des Hauptkontaktes 7 und die Leitung 13 fließt. Der Hauptkontakt 7 schließt sich
daher, und entsprechend der Justierung der Hilfskontakte 18 und 45 fließt
Strom zu der Zeitsteuervorrichtung 21 durch die Leitung i9, und die Kontakte 45
verbinden die Leitungen. 40 und 41, bevor der Hauptkontakt 7 die Induktanz 37 kurzschließt
und den vollen Schweißstrom zu dem Bolzii 2 liefert.
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Der Kontakt 18 bewirkt über Leitung 19 - 28 und Kontakt 31
- Leitung 29 das Einschalten der Magnetspule 4. Gleichzeitig wird ül:;r Widerstand
25-26 (Grob- und Feinregulierung) und Kontakt 30 der Zeitkondensator 22 aufgeladen.
Infolge der Zeitverzögerung ist die Magnetspule 1 bereits unter Strom gesetzt, um
den Bolzenbalte6 anzuh,efien und den stromschwachen Lichtbogen zu bilden, der beim
Schließen des Hauptkontaktes 7 zu einem vollen und starken Schweißlichtbogen entwickelt
wird. Gleichzeitig wird der Kondensator 22 aufgeladen.
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Das Aufladen des Kondensators 22 dient dazu. den Stromkreis der Magnetspule
4. zu unterbrechen. Beim Schließen der Kontakte iS tritt die Magnetspule 4 sogleich
in Wirkung. Sobald der KondensatOa- 22 geladen ist, wird die Spule 23 des Relais
20 von einem Strom durchflossen mit dem Erge@rnis, daß die von ihm beaufschlagten
Kontakte geöffnet werden und infolgedessen der Stromkreis der Magnetspule 4 unterbrochen
wird, so daß der
Bolzenhalter 6 des Werkzeuges i den Bolzen a unter
der Wirkung der ihn beaufschlagendenFeder auf die Platte 3 preßt.
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Infolge des Kurzschließens des Stromkreises der Induktanz 37 wird
die Magnetspule 38 stromlos. und. der Schalter 39 wird geöffnet. Seine Funktion
ist jedoch durch die Kontakte 45 übernommen worden. \.Venn der Kondensator 22 geladen
wird, wird die zum Betätigen des Zeitrelais 2o dienende Magnetspule 23 unter Strom
gesetzt, so daß der Stromkreis der Magnetspule 4 unterbrochen wird, wodurch der
Bolzen 2 zur Durchführung der Schweißung auf die Platte 3 aufgepreßt und der Kondensator
22 entladen wird. Der Schweißstromkreis wird dann infolge des Stromloswerdens der
Magnetspule 8 des Hauptkontaktes 7 unterbrochen, wenn der durch sie fließende Strom
mittels des Schalters 33 unterbrochen wird. Der Schweißvorgang ist nunmehr beendet.
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Der Stromkreis der Magnetspule 42 kann einen normalen, durch die Zeitsteuervorrichtung
21 betätigten Schalter enthalten, so daß zu einer vorgegebenen Zeit der Schalter
geöffnet werden kann, um die Spule 42 stromlos zu machen, wodurch der Schalter 36
geöffnet und die Induktanz 37 abgeschaltet wird.
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Die Erfindung ist nicht auf irgendein bestimmtes Schaltschema begrenzt,
sofern nur ihre hauptsächlichsten Ziele erreicht werden. So. kann es bisweilen wünschenswert
sein, beispielsweise durch die parallel zu der Induktanz 37 liegende Magnetspule
38 zwei Schalter zu betätigen, einen beim Schließen, welcher die Schweißoperation
durch Elemente der Zeitsteuervorrichtung in Gang setzt, und einen anderen, welcher
den örtlichen Steuerschalter des Gerätes kurzschließt und den erforderlichen Strom
zu der Magnetspule 42 leitet. Es ist dann. nicht wichtig, daß der Druckknopfschalter
am Schweißgerät i vorzeitig geöffnet werden kann.
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Der zweite Satz von Hilfskontakten des Hauptkontaktes 7, beispielsweise
die Kontakte 45, kann den Strom eines. Elektromagneten schließen durch eine Spule,
welche an Stelle der Zeitsteuervorrichtung einen normalerweise geschlossenen Schalter
in dem Stromkreis der Magnetspule 42 öffnet, und zu gleicher Zeit kann der Elektromagnet
einen Schalter schließen, durch den sein eigener Strom aufrechterhalten wird.
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Zusammenfassend sei noch einmal der Ablauf der verschiedenen Operationen
kurz dargestellt: Zunächst wird der Druckknopfschalter 14 betätigt, dabei schließt
sich der Schalter 33. Der Lichtbogendrosselkreis wird durch das Relais 42, geschlossen.
Der Spannungsabfall durch die Impedanz 37 betätigt das. Relais 38, das die Kontakte
39 schließt. Der Hauptkontakt 7 wird durch Schließen der Kontakte 39 betätigt und
beginnt sich zu schließen. Die zunächst zu schließenden Kontakte 18 vervollständigen
den Werkzeugspulenkreis, und gleichzeitig wird die Zeitsteuervorrichtu:ng 2 i in.
Gang gesetzt.
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Die Magnetspule 4 des Schweißwerkzeuges i hebt den Bolzenhalter 6
an, die parallel zu den Kontakten 39 liegenden Hilfskontakte 45 schließen sich;
das Relais 23 wird, wenn die Ladung des Kondensators 22 den erforderlichen Wert
erreicht hat, betätigt und beendet die Dauer des Lichtbogens durch Öffnen des Stromkreises
der Magnetspule im Schweißwerkzeug i, -und schließlich wird der Bolzen 2 durch die
den Bolzenhalter 6 beaufschlagenden Federn auf die Platte 3 gepreßt, und die Kontakte
33 öffnen sich infolge ihrer mechanischen Verbindung mit dem Anker der Magnetspule
und zwar dank der Tatsache, daß der Bolzen 2 - teilweise abgeschmolzen - in eine
niedrigere Lage zurückkehrt, als er sie vor Beginn des Schweißvorganges eingenommen
hatte.