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"Perfectionnements apportés à la soudure automatique à l' arc"
L'invention concerne un procédé et un appareil pour réaliser d'une façon continue la soudure a l'arc de métaux, en réalisant automatiquement l'avancement du fil de soudure et de la pièce à travailler, dans la direction de l'arc. Au cours des dernières années, on a cherché de plus en plus à mécaniser toujours aavan- tage les procédés de soudure à l'arc, surtout pour les opérations devant être effectuées à répétition.
La mécanisation satisfaisante de tout procédé de soudure à l'arc exige la corrélation exacte d'un grand nombre de variantes dépendant l'une de l'autre, si l'on veut réaliser un travail commercialement acceptable. Ainsi, par exemple, la vitesse d'avan- cement du fil, le voltage utilisé, le courant employé, la longueur
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de l'arc et le mouvement relatif de l'électrode et de la pièce de travail, doivent être mis en corrélation exacte, déterminée d'avan- ce, si l'on veut obtenir des résultats commercialement acceptables et sûrs.
La présente invention vise à établir un système de com- mande pour la soudure automatique à l'arc, qui éliminera autant que possible l'intervention humaine dans de telles opérations et permettra à de la sain-d'oeuvre non spécialisée d'effectuer ra- pidement un travail de soudure satisfaisant. L'invention concerne spécialement la solution des problèmes qui se posent en particu- lier pour la soudure automatique de tôles minces, dans la gamme d'épaisseurs trouvant un emploi courant dans la construction de véhicules.
Un objet de l'invention consiste a créer un système de com- mande perfectionné pour un appareil automatique de soudure a l'arc.
Un autre objet de l'invention est d'établir un appareil de démar- rage pour des installations automatiques de soudure à l'arc, qui fonctionnera de façon sûre avec de la tôle mince.
Dans les appareils automatiques de soudure à l'arc existant sur le marché, il est prévu un mécanisme entraîné par moteur, pour avancer le fil ou la barre de soudure vers la pièce, au fur et à mesure qu'ulle se consume dans l'arc. Le moteur entraînant ce mécanisme est généralement un moteur série et prend son énergie au circuit principal de soudure. En alimentant ce moteur directe- ment par le circuit de soudure, toute tendance d'allongement de l'arc augmente le voltage dans le circuit principal de soudure, ce qui accélère le moteur d'avancement du fil en raison du voltage plus élevé qui l'alimente, et accélère aussi l'avancement du fil, en raccourcissant ainsi l'arc.
Réciproquement, toute tendance de l'arc à se raccourcir indûment est rapidement corrigée par le ralentissement de l'avancement du fil, qui est provoqué par la chute du voltage de l'arc.
De tels dispositifs automatiques de soudure à l'arc ont trouvé
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une large application industrielle, malgré les nombreuses diffi- cultés auxquelles leur emploi donne lieu. Un des plus graves inconvénients réside dans les difficultés qu'on rencontre pour assurer des démarrages sûrs, surtout lors de la soudure de tôle mince. Apres une étude approfondie de ce problème, la demanderesse a découvert que, pour obtenir des démarrages suera et rapides, il est nécessaire de limiter la vitesse à laquelle le fil de soudure approche et rencontre la pièce de travail.
Il résulte des caractéristiques bien connues des moteurs serie que, lors du démarrage d'un appareil de soudure à l'arc dans lequel un tel moteur est alimenté par le circuit de soudure, le fil de soudure approchera et rencontrera la pièce à une vitesse beaucoup plus grande que celle à laquelle il sera avancé une fois que l'opéra- tion normale de soudure sera atteinte. C'est cette vitesse indû- ment élevée à laquelle le fil rencontre la pièce, qui est cause de la plupart des phénomènes indésirables accompagnant les démar- rages irréguliers, brutaux ou peu sûrs, tels que le collage, la brûlure, etc.. ton vue de remédier à cet inconvénient, la demande- resse a conçu l'appareil décrit ci-après, pour limiter cette vi- tesse de rencontre.
Le degré précis de limitation de cette vitesse dépend d'un certain nombre de facteurs indépendants qui varient dans chaque cas particulier. une diminution progressive de la vitesse de rencontre se traduit par un démarrage progressivement plus sûr. A mesure que décroît la densité de courant dans le fil de soudure, la nécessité de la limitation de la vitesse de rencontre devient plus marquée.
De même, il faut tenir compte de facteurs tels que la soudabilitè de la matière travaillée, le type de flux employé, et les carac- téristiques électriques du circuit de soudure. A titre d'exemple, on donnera seulement des chiffres pratiques pour la soudure de tôle d'acier mince. Dans le cas envisagé, on a utilisé une barre de soudure constituée par du fil d'acier nu de 5/32 de pouce
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(environ 4 mm.) de diamètre, sous une couche de flux cristallin caractéristique du soi-disant "procédé de soudure à l'arc submergé".
@ Le courant utilisé était voisin de 500 ampères et le voltage de l'arc était d'environ 23. Dans ces conditions, .une vitesse nor- male d'avancement du fil vers l'arc est d'environ 35 pouces (87,5 cm) par minute, et il a été constaté que dans ces conditions la vitesse à laquelle ce fil rencontre la pièce travaillée ne devra pas excéder sensiblement cette même valeur de 35 pouces (87,5 cm.) par minute. A mesure que le diamètre du fil augmente, le rapport entre la vitesse d'avancement normale du fil pendant la soudure, et la vitesse de rencontre, peut ordinairement être diminué, en raison des valeurs de courant plus élevées qui sont disponibles pour enlever l'extrémité de la tige de soudure au moment où la soudure est commencée.
La limite supérieure exacte de la vitesse de rencontre doit être déterminée dans chaque cas particulier, mais on constatera qu'elle est en tout cas inférieure à la vitesse à laquelle l'appareil avancerait le fil si le moteur d'avancement du fil était connecté directement au circuit de soudure.
L'invention sera décrite avec référence aux dispositions montrées aux dessins annexés, dans lesquels :
La Fig. 1 est un schéma d'un dispositif automatique de soudure à l'arc, comportant un mécanisme pour contrôler la Vitesse a laquelle l'électrode de soudure s'approche de la pièce à travailler, la Fig. 2 est un schéma d'un dispositif automatique de soudure à l'arc montrant une façon plus ou moins similaire de contrôler la vitesse à laquelle l'électrode de soudure s'approche de la pièce à travailler, la Fig. 3 est un schéma partiel d'un circuit de soudure à l'arc automatique, montrant des moyens pour retirer automatique- ment le fil de soudure de la pièce de travail pendant l'opération de démarrage, la Fig.
4 est également un schéma partiel d'un circuit de
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soudure automatique à l'arc, montrant un dispositif pour appli- quer un très fort à-coup de courant pendant un temps très court, pour aider l'allumage de l'arc sur de la tôle mince, et la Fig. 5 montre une série de courbes de phénomènes électri- ques en fonction du temps, illustrant la série d'opérations intervenant dans le démarrage d'une machine à souder automatique.
La Fig. 1 montre un schéma utilisable pour assurer une approche suffisamment lente du fil de soudure vers la pièce de travail. Dans cette figure, la génératrice de soudure 10 est mise à la terre en 11 et fournit son débit principal à travers le conducteur de soudure l vers le fil de soudure 13, depuis lequel le courant forme un arc vers la pièce de travail 14, pour aller ensuite à la terre en 15.
Pour amorcer le cycle de soudure, le bouton-poussoir 16 est enfoncé pour connecter le relais 17 directement à un circuit de commande de 110 volts. Lorsque le relais 17 se ferme, il shunte hors circuit la résistance 18 qui est intercalée dans le circuit d'induit de l'excitatrice 19. Cette dernière est une machine shunt à auto-excitation et est utilisée pour engendrer le champ 20 de la génératrice principale 10. Les résistances 18 et 21 sont intercalées dans le circuit d'induit de l'excitatrice 19, en série avec le champ 20 de la génératrice principale 10.
Chacune des résistances 18 et 21 est, de préférence, du type variable ou réglable. La résistance réglable 18 est employée pour fixer le voltage rûinimum produit par la génératrice 10, tandis que la résistance variable 21 est employée pour établir le volta- ge maximum produit par la génératrice 10, pour chaque dispositif de soudure particulier.
A mesure qu'il se consume dans l'arc, le fil de soudure 13 est avancé vers la pièce 14 par le moteur d'avancement 22 qui est un moteur série actionné par le potentiel existant entre le conducteur principal de soudure 12 et la terre. Le fonctionnement
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du moteur 22 est amorcé par le relais 3 qui est un dispositif à retardement et qui est, à son tour, mis sous tension lorsque le poussoir 16 est enfoncé. Le relais 23 est réglé pour fermer de 30à 120 cycles après l'enfoncement du poussoir 16. L'intervalle de temps entre l'enfoncement du poussoir 16 et l'actionnement du relais à retardement 23 permet à la génératrice 10 de produire un voltage substantiel avant que le moteur 22 ne soit mis en marche.
Au point de vue de la vitesse, le moteur 22 est contrôlé par la résistance 24 et par le relais 27 contrôlé par le courant.
La vitesse ae ce moteur dépend évidemment dans une large mesure du voltage entre le conducteur principal de soudure 12 et la terre. Lorsque le relais 23 se ferme, le moteur 22 commence immé- diatement à tourner, le circuit à la terre 25 étant complété à tout moment par la résistance 24. La valeur de celle-ci et le voltage développé par la génératrice 10 se trouvent en une corré- lation telle que, pendant que le courant actionnant le moteur 22 passe à travers la résistance 4 vers la terre, le moteur 22 ne tournera pas à une vitesse suffisante pour provoquer le collage du fil de soudure à la pièce de travail ou pour provoquer des démarrages brutaux, irréguliers ou peu sûrs. Le fil 13 commence à se consumer au moment où il heurte la pièce.
A ce moment, le potentiel dans le conducteur 1 tombera d'une valeur voisine de 80 ou 110 volta, à zéro et remontera ensuite à environ 20 à 30 volts. Le fort à-coup de courant de soudure accompagnant cette chute de potentiel provoque une chute correspondante de potentiel à travers le shunt 28. Ainsi, ce fort à-coup de courant actionne le relais 7 qui, à son tour, shunte la résistance 24 hors du circuit du moteur d'avancement du fil et permet sa mise directe à la terre en 6. Le moteur 22 peut donc avancer le fil à une vitesse normale, malgré la chute de potentiel de soudure dans le conducteur 12.
Si on le désire, il peut exister entre la carac- téristique du moteur 22 et les moyens de contrôle y associés,
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une relation telle que, lorsque l'arc est allumé, il se produit une pause suffisante dans le mécanisme d'avancement du fil pour permettre à l'arc d'atteindre une longueur normale de travail avant que l'avancement du fil à la vitesse normale ne soit repris.
Le shunt 28 sert également à fermer les relais 17-C et qui sont montés en parallèle avec les relais 17 et 30 respectivement, dans un but qui ressortira de la suite de la description.
Le moteur 29 d'avancement du chariot est employé pour produire le mouvement relatif de la tête à souder supportant le fil 13, et de la pièce 14, c'est-à-dire pour déplacer le fil de soudure au-dessus du travail. Ce moteur 29 est de préférence un moteur shunt à courant continu, alimenté par une source d'énergie appro- priée quelconque. Le relais 30 est actionné au moment où le pous- soir 16 est enfoncé, et complète le circuit d'induit du moteur 9, à travers les résistances 32, 33 et 48.Le relais à retardement 31 est disposé de façon à shunter la résistance 32 hors du cir- cuit du moteur 29, et, de même, le relais à retardement 34 est disposé de façon à shunter la résistance 33 hors du circuit.
Les relais 31 et 34 sont mis sous courant par le shunt 8 dans la li- gne 12. Un laps de temps qu'on peut choisir entre zéro et 120 cycles s'écoule entre le moment où le relais 31 est mis sous cou- rant et le moment où il shunte la résistance 32 hors du circuit.
De même, un laps de temps un peu plus grand, c'est-à-dire de zéro à 240 cycles, s'écoule entre le moment où le relais 34 est mis sous tension et le moment où il agit pour mettre la résistance 33 hors du circuit du moteur d'avancement du chariot. Il convient de noter que le relais à retardement 34 agit plus lentement que le relais à retardement 31.
Ce circuit fonctionne comme suit. Lorsque la génératrice prin- cipale 10 tourne à pleine vitesse, on enfonce le poussoir 16.
A ce moment, la génératrice 10 produit seulement un voltage minimum voisin de lb à 30 volts, en raison du fait que l'excitation du
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champ 20 est diminuée par la résistance 16 dans le circuit d'in- duit de l'excitatrice 19.
Pour amorcer l'opération de soudure, le poussoir 16 est enfonce et ferme ainsi instantanément le relais 17. De ce fait, la résistance 18 est shuntée hors du circuit, en excitant le champ 20 de la génératrice 10, et le voltage dans celle-ci croît de la valeur minimum jusqu'au voltage maximum permis par la résistance 21. Environ 40 cycles après l'enfoncement du poussoir 16, le relais à retardement 23 se ferme et provoque le démarrage du moteur 22 devancement du fil. Le retardement du relais 23 est choisi de telle façon qu'il ne se fermera pas avant que la géné- ratrice 10 n'ait atteint pratiquement son voltage maximum. La fermeture du relais 23 provoque le passage du courant par le moteur série 22 vers la terre 5, en passant par la résistance 24.
De ce fait, le moteur 22 fait avancer le fil 13 vers la pièce de travail, à une vitesse insuffisante pour provoquer le collage ou des démarrages irréguliers. Lorsque le fil de soudure 13 ren- contre la pièce 14, un fort à-coup de courant passe par le conduc- teur de soudure 12 et il se produit une chute brusque correspon- dante de voltage. Cet a-coup de courant actionne le relais 27 par l'intermédiaire du shunt 28 et met la résistance 24 hors du circuit du moteur 22 d'avancement du fil, en permettant la mise directe à la terre, en 26, de ce moteur.
L'enlèvement de la ré- sistance 24 du circuit permet au moteur 22 de continuer de fonc- tionner à une vitesse normale devancement du fil, malgré la brusque chute de voltage produite dans le conducteur 1 par l'al- lumage d'un arc entre le fil 13 et la pièce 14.
L'enfoncement du boutor. 16 provoque aussi la fermeture ins- tantanée du relais 30. Lorsque celui-ci se ferme, le moteur 9 d'avancement du chariot démarre, son courant d'induit étant limité par les résistances 32, 33 et 48. Vingt-sept cycles après sa mise sous tension par le shunt 48, le relais à retardement 31 se ferme
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et shunte la résistance 32 hors du circuit d'induit du moteur 29 d'avancement du chariot. Par ailleurs, 68 cycles plus tard, le relais à retardement 34 se ferme et shunte la résistance 33 hors du circuit d'induit du moteur .29 Cela imprime au moteur 29 une accélération progressive pendant que l'arc entre le fil de soudure 13 et la pièce 14 s'établit fermement.
Le courant principal de soudure passant par le shunt 8 main- tient les relais 17-C et 30-C fermés pendant tout le temps du passage du courant de soudure. La nécessité de ces relais se mani- feste à la fin du cycle de soudure. L'opération de soudure est arrêtée par le relâchement du poussoir 16. Cela provoque l'ouver- ture instantanée des relais 17, 23 et 30. L'ouverture du relais 23 interrompt immédiatement le mécanisme d'avancement du fil.
Puisque le relais 17 est shunté par le relais de courant 17-C et que le relais 30 est shunté par le relais de courant 30-C la géné- ratrice continue à développer le voltage normal de soudure et le moteur d'avancement du chariot continue à fonctionner. Dans ces conditions, l'arc est éteint par consomption normale puisque le moteur 22 d'avancement du fil est maintenant inopérant. Lors- que l'arc est éteint, le relais 17-C s'ouvre et diminue le volta- ge de la génératrice jusqu'à la valeur minimum, et le relais 30-C s'ouvre et arrête le moteur d'avancement du chariot. Le mécanisme est alors prêt pour la soudure suivante.
Une deuxième méthode de contrôle de la vitesse du fil de soudure s'approchant de l'arc de soudure est illustrée en Fig. .
Dans ce circuit, le voltage dans le conducteur principal de soudure 12 est employé pour contrôler l'action de certains relais. Dans cette figure, les références et fonctions des éléments 10 à 5 sont identiques à celles des éléments correspondants de la Fig. 1, excepté que le relais 35 contrôlé par le voltage a été substitué au relais à retardement 3 de la Fig. 1, et que le relais 17 présente une bobine additionnelle influencée par le courant et
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excitée par le shunt 28. Le relais 35 contrôlé par le voltage est connecté entre le conducteur de soudure 12 et la terre, en 36, et est. établi de façon a se fermer au voltage maximum produit par la génératrice 10, dans ce cas entre 80 et 110 volts.
Le relais 35 est également pourvu d'une bobine séparée qui est mise sous cou- rant par le poussoir 16. Le relais 35 fait démarrer le moteur 2 d'avancement du fil. Le relais 37, contrôlé par le voltage, est connecté entre le conducteur principal de soudure 12 et la terre 38 et sert à shunter la résistance 24 hors du circuit du moteur d'avancement du fil, en mettant ce moteur directement à la terre en 38. Le relais 37 est réglé de façon à établir toujours le con- tact lorsque le voltage lui imprimé ne dépasse pas sensiblement le voltage normal de soudure. A titre d'exemple, le relais 37 peut être réglé de façon à s'ouvrir à un voltage supérieur à 40 et à se fermer à des voltages inférieurs à 30.
De cette façon, le relais 37 s'ouvrira pendant la période initiale de travail de la génératrice 10 et restera ouvert jusqu'à ce que le voltage soit tombé à 30 ou moins, par suite de l'amorçage de l'arc, et se ferme- ra alors et restera fermé pendant le restant du cycle de soudure.
Ainsi, lorsque l'arc est allumé et que le potentiel tombe dans le conducteur de soudure 12, le relais 37 contrôlé par le voltage se' ferme et met le moteur 22 devancement du fil directement a la terre en 38. De ce fait, la résistance 24 est shuntée hora du cir- cuit, ce qui permet un avancement normal du fil, malgré la chute de voltage dans le circuit de soudure.
Dans le cas de ce schéma de montage, le moteur 29 de commande du chariot est alimenté en courant continu 110 volts, d'une façon similaire à celle montrée en Fig. 1. Le démarrage du moteur 29 est commandé par le relais 39 contrôlé par le voltage, qui est intercalé dans le circuit d'induit. Les caractéristiques de ce relais 39 sont telles qu'il se ferme à des voltages supérieurs à environ 40 et s'ouvre à des voltages inférieurs à environ 0. Le relais 39 est construit de telle façon qu'il s'ouvrira relativement lentement,
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de sorte qu'il ne s'ouvrira pas sous l'effet de chutes momentanées de voltage, comme par exemple au premier allumage de l'arc.
L'accélération du moteur 29 de commande du chariot est accomplie d'une façon similaire à celle illustrée en Fig. 1, excepté que les relais 31 et 34 contrôlés par le temps sont actionnés par le même voltage qui actionne le moteur d'entraînement du chariot. En d'autres termes, ces relais commencent à mesurer le temps à partir de l'instant où le relais 39 contrôle par le voltage fonctionne.
Le fone tionnement du moteur 29 d'avancement du chariot est également soumis au contrôle du relais 39 A qui est monté en série avec le relais 39 contrôlé par le voltage. Le relais 39A est connecté de telle façon qu'il peut être mis sous courant par le poussoir 16, ou par le shunt 28, ou simultanément par ces deux moyens. Dans ces conditions, il peut être désirable de supprimer le relais 39 et de réaliser le contrôle uniquement au moyen du relais 39A.
Ce circuit de soudure fonctionne comme suit . Lorsque le poussoir 16 est enfoncé, le relais 17 se ferme et shunte la ré- sistance 18 hors du circuit de l'excitatrice. Lette résistance 18 étant mise hors circuit, la génératrice 10 agit pour engendrer le plein voltage de soudure qui est voisin de 80 à 110 volts..
L'enfoncement du poussoir 16 provoque la fermeture du relais 39A.
Lorsque la génératrice 10 produit un voltage de 40 volts, le relais 39 contrôlé par le voltage se ferme et amorce l'accéléra- tion du moteur de commande du chariot, par l'intermédiaire des relais 31, 34 et des résistances 32 et 33. Lorsque le voltage de la génératrice dépasse 40 volts, le relais 37 contrôlé par le voltage s'ouvre et intercale la résistance 4 dans le circuit du moteur d'avancement du fil. Lorsque le voltage de la génératrice a atteint pratiquement sa pleine valeur ou le voisinage de 80 volts, le relais 35 contrôlé par le voltage se ferme et fait démarrer le moteur 22 d'avancement du fil, à une vitesse réduite
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en raison de la présence de la résistance 4 dans le circuit.
Le relais 35 est construit de telle façon que la bobine connectée au bouton poussoir 16 est insuffisante pour actionner l'armature aussi longtemps qu'elle n'est pas aidée par la bobine connectée entre le conducteur de soudure 12 et la terre. Un potentiel d'en- viron 40 volts dans le conducteur 12, en combinaison avec l'éner- gie dérivée du poussoir 16, suffira pour fermer le relais 35.
Une fois le relais 35 fermé, l'énergie du poussoir 15 suffira pour le maintenir fermé, malgré les variations du voltage dans le conducteur de soudure. Le fonctionnement du moteur 22 fait avancer le fil 13 vers la pièce 14 et provoque l'arc. L'allumage de l'arc se traduit évidemment par une forte chute de voltage dans le con- ducteur 1. Lorsque le voltage est tombé à une valeur déterminée d'avance au environs de 30. volts, le relais 37 fait contact et shunte la résistance 24 hors du circuit du moteur 2'd et permet donc à ce moteur de faire avancer le fil à vitesse normale malgré la chute de voltage dans le circuit principal de soudure.
Il convient de noter que le fonctionnement décrit avec référence à la Fig. 2 est, d'une façon générale, similaire à celui décrit avec référence à la Fig. 1, sauf qu'en Fig. 2 le temps requis pour faire monter le voltage de la valeur minimum à la valeur pleine, est employé pour régler, dans le temps, les diverses opérations, plutôt que pour régler, dans le temps, les relais retardement, qui sont ajustés à de s laps de temps arbitraires.
Pour terminer le cycle de soudure, le poussoir 16 est relâché.
Lorsque la bobine du relais 35, qui est commandée par le poussoir 16, n'est plus parcourue par le courant, ce relais s'ouvre et arrête le moteur 22, puisque le bas voltage employé pendant la soudure est insuffisant pour maintenir ce relais fermé. Après le relâchement du poussoir 15 et l'arrêt du moteur 22, le moteur 9 d'actionnement du chariot continue à fonctionner puisque la bobine du relais 39A, qui est actionnée par le shunt 28, maintient ce
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relais fermé. De même, le relais 17 est maintenu fermé par le shunt 8 et maintient le plein voltage de soudure dans la généra- trice 10. L'avancement du fil étant supprimé, la consomption normale produit l'extinction de l'arc.
Lorsque le courant de sou- dure est supprimé, les relais 17 et 39A s'ouvrent rapidement et provoquent la chute du voltage de la génératrice et l'arrêt du moteur 29 d'avancement du chariot. La macnine est maintenant à l'arrêt et prête à une nouvelle opération de soudure.
La Fig. 3 montre une variante du circuit selon Figs 1 et 2.
Le circuit de la Fig. 3 peut être appliqué directement à ceux montrés en Figs. 1 et 2 et être commandé par le même poussoir 16.
Lorsque celui-ci est enfoncé, le relais à retardement 43 commence à mesurer le temps et se ferme après un intervalle déterminé d'avance. Lorsque le relais 43 se ferme, le solénoïde 44 est mis sous tension, ce qui a pour effet que l'armature 45 du solénoîde se meut vers le haut et entraîne le support d'avancement du fil 46, qui porte le mécanisme comprenant le moteur 22 devancement du fil (non montré), lequel fait avancer le fil 13 a mesure que la soudure progresse. L'action ordinairement brusque du solénoîde 44 est amortie par le dashpot 47, pour rendre l'action contrôla- ble dans le temps.
Lorsque le circuit de la Fig. 3 est employé en combinaison avec les circuits montrés en Figs. 1 et 2, le relais 43 est réglé de telle façon que le retrait du fil de sou- dure par le solénoïde 44 ne se produira pas avant que le voltage de la génératrice ne se soit établi et que le courant de soudure ne commence à passer effectivement, A titre d'alternative, le solénoîde 44 peut être réglé de façon à agir à tout moment voulu après que le contact a été établi par le poussoir 16 et que la suite normale d'opérations de soudure a commencé.
Par un ajustage judicieux des caractéristiques du dash-pot 47 et la superposition de ces caractéristiques et des caractéristiques normales d'accé- lération du moteur série employé pour l'avancement du fil de sou-
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dure, on peut réaliser pratiquement toute accélération et toute vitesse d'avancement du fil de soudure. L'avancement effectif obtenu est évidemment la somme algébrique du mouvement imprimé par le moteur 22 d'avancement du fil et par le solénoïde 44. Les caractéristiques du dashpot 47 sont contrôlées à volonté par des expédients tels que la prévision de rainures ou lumières dans le cylindre pour régler l'échappement du fluide moteur. Voir "Damping Characteristics of Dashpots " par Peterson, tel que publié dans "Froduct Engineering", de Novembre 1947, page 139 et suivantes.
Couine variante du circuit qui vient d'être décrit, le relais 43 peut être actionné par le courant dérivé du shunt 28,, au lieu de l'énergie reçue via le poussoir 16. Il en résulte un circuit un peu moins critique puisque le retrait du fil de soudure 13 par le solénoîde 44 est amorcé par le démarrage du courant de soudure. C'est évidemment à ce moment que ce retrait doit être effectué pour amorcer convenablement l'arc.
Le circuit montré en Fig. 3 peut aussi être incorporé dans ceux montrés en Figs. 1 et 2, de façon à obtenir un résultat quelque peu différent. On constatera que dans les circuits mon- trés en Figs. 1 et 2, il existe un mouvement relatif du fil de soudure et de la pièce de travail avant que le moteur 22 agisse de façon à allumer l'arc. Dans ces conditions, il peut être dési- rable de produire l'allumage de l'arc avant le déplacement relatif du fil de soudure et de la pièce de travail. Cette méthode est appelée le démarrage arrêté, par opposition au démarrage volant illustré en Figs. 1 et 2. Dans ces départs arrêtés, le moteur 9 d'avancement du chariot est mis en marche un temps déterminé après que le courant de soudure a commencé à passer.
Cela donne un temps suffisant pour la formation d'une flaque de métal fondu sous l'électrode de soudure. Le démarrage du moteur 29 d'avance- ment du chariot doit être réglé, dans le temps* de telle façon qu'il suit l'allumage de l'arc endéans un délai pas trop long
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pour empêcher qu'un trou ne soit brûlé dans la pièce de travail, surtout lorsqu'il s'agit de tôle mince. Dans ces conditions, il est parfois pratique de supprimer le contrôle de la vitesse du moteur 22 d'avancement du fil, qui est appliqué en Figs. 1 et , et de se fier complètement au mécanisme de retrait du fil, montré en Fig. 3, pour établir l'arc.
Dans chaque cas, il s'est avéré recommandable d'accélérer graduellement le moteur 29 d'avancement du chariot, depuis l'arrêt jusqu'à la pleine vitesse, pour assurer un allumage doux de l'arc. il va de soi que le mécanisme de re- trait montré en Fig. 3 peut être employé en combinaison avec l'avancement retardé du fil selon Figs. 1 et 2, ou peut être employé séparément. Les conditions spéciales qui se présentent dans chaque travail de soudure individuel doivent être prises en considération pour déterminer le circuit exact qu'il convient d'employer.
Dans la plupart des cas, on constatera que l'on ob- tient un fonctionnement plus sûr si le démarrage du moteur d'avancement du chariot est contrôlé par du courant dérivé du shunt 28, puisqu'il convient de maintenir une corrélation plutôt précise entre le commencement du passage du courant de soudure et le démarrage de ce moteur 29.
La Fig. 4 montre une modification qui peut être apportée aux circuits illustrés en Figs. 1 et , pour aider à l'allumage de l'arc. Dans cette figure, un relais 40 à voltage et a intensité est shunté sur la résistance 21 qui contrôle le voltage maximum produit par la génératrice 10. L'armature du relais 40 est pourvue de deux enroulements séparés et distincts, disposés de telle façon qu'ils produisent des flux mutuellement opposés. La bobine de voltage du relais 40 est connectée entre le conducteur princi- pal de soudure 12 et la terre en 41. La bobine de courant du re- lais 40 est branchée sur le shunt 4 inséré dans le conducteur principal de soudure 12.
Ce relais est disposé de façon que la bobine de voltage provoquera la fermeture du relais à un voltage
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intermédiaire entre le voltage normal de soudure et le voltage maximum produit par la génératrice lorsque la résistance 21 est en série avec le champ de la génératrice. Lorsque le voltage ae la génératrice 10 augmente après l'enfoncement du poussoir 16, ce relais se fermera et shuntera la résistance hors du circuit de champ de la génératrice. L'enlèvement de cette résistance 21 du circuit de champ de la génératrice a pour effet que la génératrice produit le voltage maximum qu'elle est capable d'engendrer et rend donc disponible un énorme à-coup de courant pour produire un arc très chaud pour conduire l'opération de soudure à travers la période difficile du démarrage.
L'à-coup initial du courant de soudure se répercute évidemment dans le shunt 42 et la bobine de courant du relais 40, qui est raccordée à ce shunt. tant donné que la booine de courant est enroulée de façon à s'opposer magné- tiquement à la bobine de voltage, le relais 40 s'ouvrira prompte- ment dès que le courant de soudure commence à passer et ramènera donc la résistance 21 à sa fonction normale de contrôle du débit de la génératrice. Cette réinsertion rapide de la résistance 21 dans le circuit de champ de la génératrice 10 empêchera, pendant un temps appréciable, le passage d'un courant excessif dans le circuit principal de soudure, et empêchera le brûlure de la pièce de travail.
Il convient de noter que si les conditions sont moins critiques, la bobine de courant et le shunt 43 peuvent être omis, en permettant au relais 40 de s'ouvrir simplement sous l'effet de la chute de voltage accompagnant le commencement de la soudure.
De même, si les circonstances l'exigent, le relais 40 peut être d'un type tel qu'il se fermera pendant un laps de temps déterminé d'avance et s'ouvrira ensuite. Une telle disposition est utile lorsqu'on rencontre des conditions de démarrage particulièrement difficiles. Les dispositions montrées en Fig. 4 ont été décrites spécialement pour leur emploi combiné avec les circuits illustrés en 'igs. 1 et 2. il est toutefois entendu que dans certaines con- ditions, on peut omettre les dispositions spéciales des Figs. 1 et
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.2 et accomplir le démarrage simplement par l'emploi du dispositif montré en tige 4.
Lorsque le circuit selon Fig. 4 est employé en combinaison avec ceux montrés en Figs. 1 et 2, le circuit selon 'ig. est simplement ajouté à celui illustré en ces Figures.
Aucune autre modification du circuit illustré en Figs. 1 et n'est nécessaire pour l'adaptation de celui montré en Fig. 4.
En Fig. 5, les divers phénomènes électriques se produisant lors du démarrage d'unachine automatique de soudure à l'arc ont été représentés en fonction du temps. C'est la meilleure illustration de la succession des événements se manifestant lors du démarrage d'une machine automatique de soudure à l' a rc . Dans cette figure, le temps est porté en abscisses, tandis que les or- données représentent la grandeur relative du voltage de la géné- ratrice, de la vitesse du chariot, de la vitesse d'avancement du fil, et du courant de soudure.
Il n'a pas été donné de valeurs numériques aux ordonnées, ni aux abscisses, puisque les ordon- nées ont seulement pour but de montrer des valeurs relatives, et les abscisses de montrer l'écoulement du temps, loutefois, à sim- ple titre d'information, il convient de noter que dans un appareil normal de soudure, le cycle complet montré en Fig. 5 doit durer moins de deux -secondes. Dans ce diagramme, l'espace compris entre l'ordonnée et la ligne A représente le temps avant soudure, c'est- à-dire avant le commencement effectif du cycle de soudure sous l'effet de l'enfoncement du poussoir 16. Le voltage de la généra- trice est représenté par une ligne en trait plein et, pendant cette période avant soudure, n'atteint que le voltage minimum.
Lorsque le poussoir 16 est enfoncé, le relais 17 se ferme et le voltage de la génératrice monte à un maximum et se maintient à cette valeur jusqu'à la ligne verticale C, auquel moment l'arc est allumé et le voltage de la génératrice tombe rapidement et puis remonte au voltage normal de soudure qui, comme on le cons- tatera, est supérieur au voltage minimum. A la ligne verticale B,
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et pendant la création du voltage de la génératrice, le relais 23 se ferme et provoque la mise en marche du moteur d'avancement du fil.
La vitesse de ce moteur est représentée par la ligne en traits interrompus, qui s'élève à un maximum, jusqu'à ce qu'elle se trouve interrompue par l'allumage de l'arc a la ligne verticale C. ensuite, cette vitesse tombe légèrement jusqu'à ce que le relais 27 se ferme et ramène la vitesse d'avancement du fil à une valeur approchant celle qui était atteinte au moment où le fil rencontrait la pièce de travail.Il convient de noter que cette valeur est sensiblement la marne que celle employée pour la sou- dure normale, montrée à droite de la figure. Renfoncement du poussoir 16 provoque évidemment la fermeture du relais 30 et met immédiatement en marche le moteur d'avancement du chariot. La vitesse de ce moteur est représentée par la ligne en traits mixtes.
On constatera qu'il se produit une accélération graduelle jusqu'à la ligne E, où le relais 39 se ferme, une accélération plus rapide jusqu'à la ligne F, où le relais 33 se ferme, et une accé- lération finale jusqu'à ce que la valeur finale soit atteinte pen- dant la soudure. Le courant de soudure est représenté par la ligne pointillée et monte évidemment de zéro, au moment où l'arc est allumé à la ligne C, jusqu'à un a-coup maximum, et retombe alors au courant normal de soudure. Il convient d'insister sur le fait que la Fig. 5 montre seulement une approximation de la succession, exacts des phénomènes et, dans la pratique, il peut se produire des variations, sans se départir de l'esprit de l'invention.
Pour la clarté, les phénomènes se produisant à la fin du cycle de sou- dure ont été omis dans la Fig. 5. Il semble que ces phénomènes ont été amplement expliqués dans la description, si on les considère en se référant à la Fig. 5.
L'appareil qui vient d'être décrit est habituellement employé avec le type de connexion appelé "à polarité inversée". Cela n'est toutefois pes essentiel et, si les circonstances l'exigent, on peut employer une polarité normale. Le présent procédé convient
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particulièrement au procédé de "souaure à l'arc submergé", dans lequel un fil nu de soudure est introduit dans une masse granu- laire de flux minérale II peut cependant être également utilisé avec une barre enrobée de soudure usuelle, ou avec une barre nue, sans employer de flux.
Dans la description, on a seulement envisagé l'emploi d'un moteur série comme moteur d'avancement du fil de soudure. Cela n'est toutefois pas essentiel si un contrôle approprié de l'avan- cement du fil de soudure peut être obtenu par des commandes auto- matiques fonctionnant avec d'autres types de force motrice. Ainsi, par exemple, le moteur employé pour amener le fil à l'arc peut avoir un champ excité en permanence par une source de voltage fixe et l'armature peut être mise sous courant par le circuit de sou- dure.
Cela donnera évidemment lieu à une commande un peu moins sensible au voltage dans le circuit de soudure, que ce n'est le cas pour le moteur série habituellement employée Dans la descrip- tion, il a toujours été fait référence à des résistances comme moyens pour limiter la vitesse des différents moteurs. Il va de soi que n'importe quel autre moyen connu pour contrôler la vitesse de moteurs peut être substitué aux résistances usuelles.
REVENDICATIONS.
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"Improvements in automatic arc welding"
Disclosed is a method and apparatus for continuously performing the arc welding of metals, automatically advancing the welding wire and workpiece in the direction of the arc. In recent years, there has been an increasing attempt to mechanize arc welding processes, especially for operations which have to be carried out repeatedly.
The satisfactory mechanization of any arc welding process requires the exact correlation of a large number of mutually dependent variations if commercially acceptable work is to be done. Thus, for example, the speed of advance of the wire, the voltage used, the current employed, the length
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of the arc and the relative movement of the electrode and the workpiece must be correlated exactly, determined in advance, if commercially acceptable and safe results are to be obtained.
The present invention aims to provide a control system for automatic arc welding which will eliminate as much as possible human intervention in such operations and allow unskilled labor to perform operations. - quickly a satisfactory welding job. The invention relates especially to the solution of the problems which arise in particular for the automatic welding of thin sheets, in the range of thicknesses which find common use in the construction of vehicles.
It is an object of the invention to provide an improved control system for an automatic arc welding apparatus.
Another object of the invention is to provide a starting apparatus for automatic arc welding installations which will operate reliably with thin sheet metal.
In automatic arc welding devices existing on the market, a motor-driven mechanism is provided to advance the wire or the welding bar towards the workpiece, as it is consumed in the tube. bow. The motor driving this mechanism is generally a series motor and takes its energy from the main welding circuit. By feeding this motor directly through the solder circuit, any tendency to extend the arc increases the voltage in the main solder circuit, which speeds up the wire feed motor due to the higher voltage which l 'feeds, and also accelerates the advance of the wire, thus shortening the arc.
Conversely, any tendency of the arc to shorten unduly is quickly corrected by the slowing of wire feed, which is caused by the drop in voltage of the arc.
Such automatic arc welding devices have found
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wide industrial application, despite the many difficulties to which their use gives rise. One of the most serious drawbacks lies in the difficulties encountered in ensuring safe starts, especially when welding thin sheet metal. After a thorough study of this problem, the Applicant has discovered that, in order to obtain sweating and rapid starts, it is necessary to limit the speed at which the welding wire approaches and meets the work piece.
It follows from the well-known characteristics of series motors that, when starting an arc welding apparatus in which such a motor is supplied by the welding circuit, the welding wire will approach and meet the workpiece at a very high speed. greater than that to which it will be advanced once the normal welding operation is reached. It is this unduly high speed at which the wire meets the workpiece that is the cause of most of the undesirable phenomena accompanying irregular, abrupt or unsafe starts, such as sticking, burning, etc. in order to remedy this drawback, the applicant has designed the apparatus described below, to limit this meeting speed.
The precise degree of limitation of this speed depends on a number of independent factors which vary in each particular case. a gradual decrease in the encounter speed results in a progressively safer start. As the current density in the solder wire decreases, the need for limitation of the encounter speed becomes more pronounced.
Likewise, factors such as the weldability of the material being worked, the type of flux employed, and the electrical characteristics of the welding circuit must be taken into account. By way of example, only practical figures will be given for the welding of thin steel sheet. In the case considered, a weld bar made from 5/32 inch bare steel wire was used.
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(about 4 mm.) in diameter, under a layer of crystalline flux characteristic of the so-called "submerged arc welding process".
@ The current used was around 500 amps and the arc voltage was about 23. Under these conditions, a normal speed of advance of the wire towards the arc is about 35 inches (87, 5 cm) per minute, and it has been observed that under these conditions the speed at which this wire meets the workpiece should not appreciably exceed this same value of 35 inches (87.5 cm.) Per minute. As the diameter of the wire increases, the ratio of the normal advancement speed of the wire during welding, to the encounter speed, can usually be decreased, due to the higher current values that are available to remove the wire. end of the weld rod when the weld is started.
The exact upper limit of the encounter speed must be determined in each particular case, but it will be found that it is in any case lower than the speed at which the apparatus would advance the wire if the wire feed motor were connected directly. to the welding circuit.
The invention will be described with reference to the arrangements shown in the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 is a diagram of an automatic arc welding device, comprising a mechanism for controlling the speed at which the welding electrode approaches the workpiece, FIG. 2 is a diagram of an automatic arc welding device showing a more or less similar way of controlling the speed at which the welding electrode approaches the workpiece, FIG. 3 is a partial diagram of an automatic arc welding circuit, showing means for automatically removing the weld wire from the work piece during the starting operation, FIG.
4 is also a partial diagram of a circuit of
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automatic arc welding, showing a device for applying a very strong current for a very short time, to aid the ignition of the arc on thin sheet, and FIG. 5 shows a series of curves of electrical phenomena as a function of time, illustrating the series of operations involved in starting an automatic welding machine.
Fig. 1 shows a diagram which can be used to ensure a sufficiently slow approach of the weld wire towards the work piece. In this figure, the weld generator 10 is grounded at 11 and supplies its main flow through the weld conductor 1 to the weld wire 13, from which the current arcs to the workpiece 14, to then go to earth in 15.
To initiate the weld cycle, push button 16 is depressed to connect relay 17 directly to a 110 volt control circuit. When the relay 17 closes, it bypasses the resistor 18 which is interposed in the armature circuit of the exciter 19. The latter is a self-excited shunt machine and is used to generate the field 20 of the generator. main 10. The resistors 18 and 21 are interposed in the armature circuit of the exciter 19, in series with the field 20 of the main generator 10.
Each of the resistors 18 and 21 is preferably of the variable or adjustable type. Adjustable resistor 18 is used to set the minimum voltage produced by generator 10, while variable resistor 21 is used to set the maximum voltage produced by generator 10, for each particular solder.
As it burns in the arc, the solder wire 13 is advanced towards the part 14 by the advancing motor 22 which is a series motor driven by the potential existing between the main solder conductor 12 and the earth. . Operation
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of the motor 22 is started by the relay 3 which is a delay device and which is, in turn, energized when the pusher 16 is pressed. Relay 23 is set to close for 30 to 120 cycles after depressing pusher 16. The time interval between depressing pusher 16 and actuation of time delay relay 23 allows generator 10 to produce a substantial voltage. before the engine 22 is started.
From the point of view of speed, the motor 22 is controlled by the resistor 24 and by the relay 27 controlled by the current.
The speed of this motor obviously depends to a large extent on the voltage between the main solder conductor 12 and earth. When the relay 23 closes, the motor 22 immediately begins to run, the circuit to earth 25 being completed at all times by the resistor 24. The value of this and the voltage developed by the generator 10 are in a correlation such that, while the current to drive motor 22 is flowing through resistor 4 to earth, motor 22 will not rotate at a speed sufficient to cause the solder wire to stick to the workpiece or to cause sudden, irregular or unsafe starts. Wire 13 begins to burn out as it hits the part.
At this moment, the potential in conductor 1 will drop from a value close to 80 or 110 volta, to zero and then rise again to around 20 to 30 volts. The strong surge of welding current accompanying this drop in potential causes a corresponding drop in potential across shunt 28. Thus, this strong surge of current actuates relay 7 which, in turn, bypasses resistor 24 out. wire feed motor circuit and allows its direct earthing at 6. The motor 22 can therefore advance the wire at normal speed, despite the drop in solder potential in conductor 12.
If desired, there may exist between the characteristic of the motor 22 and the associated control means,
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a relationship such that when the arc is ignited there is sufficient pause in the wire feed mechanism to allow the arc to reach a normal working length before the wire feed at speed normal is not resumed.
The shunt 28 also serves to close the relays 17-C and which are mounted in parallel with the relays 17 and 30 respectively, for a purpose which will emerge from the remainder of the description.
The carriage advance motor 29 is employed to produce the relative movement of the welding head supporting the wire 13, and of the workpiece 14, i.e. to move the weld wire above the work. This motor 29 is preferably a direct current shunt motor, supplied by any suitable source of energy. The relay 30 is actuated when the push-button 16 is pressed, and completes the armature circuit of the motor 9, through the resistors 32, 33 and 48. The delay relay 31 is arranged so as to bypass the resistance. 32 out of the circuit of the motor 29, and likewise the time delay relay 34 is arranged so as to bypass the resistor 33 out of the circuit.
Relays 31 and 34 are energized by shunt 8 in line 12. A period of time that can be chosen between zero and 120 cycles elapses between when relay 31 is energized. and when it bypasses resistor 32 out of the circuit.
Likewise, a somewhat larger period of time, i.e. zero to 240 cycles, elapses between when relay 34 is energized and when it acts to put resistor 33 on. out of the carriage forward motor circuit. It should be noted that the delay relay 34 acts slower than the delay relay 31.
This circuit works as follows. When the main generator 10 is running at full speed, push button 16 is depressed.
At this time, the generator 10 produces only a minimum voltage in the region of lb at 30 volts, due to the fact that the excitation of the
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field 20 is reduced by resistor 16 in the induction circuit of exciter 19.
To initiate the welding operation, the pusher 16 is depressed and thus instantly closes the relay 17. As a result, the resistor 18 is shunted out of the circuit, by exciting the field 20 of the generator 10, and the voltage in it. ci increases from the minimum value to the maximum voltage allowed by resistor 21. Approximately 40 cycles after depressing the push-button 16, the time delay relay 23 closes and causes the motor 22 to advance the wire. The delay of relay 23 is chosen such that it will not close until generator 10 has substantially reached its maximum voltage. Closing relay 23 causes current to flow through series motor 22 to earth 5, passing through resistor 24.
Therefore, the motor 22 advances the wire 13 towards the workpiece, at a speed insufficient to cause sticking or irregular starts. When the solder wire 13 meets the part 14, a strong surge of current passes through the solder conductor 12 and there is a corresponding sharp drop in voltage. This current burst actuates the relay 27 through the intermediary of the shunt 28 and puts the resistor 24 out of the circuit of the wire advancement motor 22, allowing the direct earthing, at 26, of this motor.
Removal of resistor 24 from the circuit allows motor 22 to continue to operate at normal wire feed speed, despite the sudden drop in voltage produced in conductor 1 by ignition of an arc. between wire 13 and part 14.
The sinking of the boutor. 16 also causes the instantaneous closing of relay 30. When the latter closes, the motor 9 for advancing the carriage starts, its armature current being limited by resistors 32, 33 and 48. Twenty-seven cycles later when energized by shunt 48, time delay relay 31 closes
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and bypasses resistor 32 out of the armature circuit of the motor 29 for advancing the carriage. Also, 68 cycles later, the time delay relay 34 closes and bypasses resistor 33 out of the motor armature circuit. 29 This gives motor 29 a gradual acceleration as the arc between solder wire 13 and piece 14 settles firmly.
The main welding current flowing through shunt 8 keeps relays 17-C and 30-C closed during the entire passage of the welding current. The need for these relays becomes apparent at the end of the welding cycle. The welding operation is stopped by releasing the pusher 16. This causes the instantaneous opening of the relays 17, 23 and 30. The opening of the relay 23 immediately interrupts the wire advancement mechanism.
Since relay 17 is bypassed by current relay 17-C and relay 30 is bypassed by current relay 30-C, the generator continues to develop normal welding voltage and the carriage feed motor continues. to operate. Under these conditions, the arc is extinguished by normal consumption since the motor 22 for advancing the wire is now inoperative. When the arc is extinguished, relay 17-C opens and decreases the generator voltage to the minimum value, and relay 30-C opens and stops the feed motor. cart. The mechanism is then ready for the next weld.
A second method of controlling the speed of the weld wire approaching the weld arc is shown in Fig. .
In this circuit, the voltage in the main solder conductor 12 is used to control the action of certain relays. In this figure, the references and functions of elements 10 to 5 are identical to those of the corresponding elements of FIG. 1, except that the voltage controlled relay 35 has been substituted for the time delay relay 3 of FIG. 1, and that relay 17 has an additional coil influenced by the current and
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energized by shunt 28. Voltage controlled relay 35 is connected between solder conductor 12 and ground, at 36, and is. set so as to close at the maximum voltage produced by generator 10, in this case between 80 and 110 volts.
Relay 35 is also provided with a separate coil which is energized by pusher 16. Relay 35 starts wire feed motor 2. Relay 37, controlled by voltage, is connected between main solder conductor 12 and earth 38 and serves to bypass resistor 24 out of the wire feed motor circuit, putting this motor directly to earth at 38 Relay 37 is set so as to always establish contact when the voltage imparted to it does not appreciably exceed the normal welding voltage. For example, relay 37 can be set to open at a voltage greater than 40 and close at voltages below 30.
In this way, the relay 37 will open during the initial period of work of the generator 10 and will remain open until the voltage has dropped to 30 or less, as a result of the ignition of the arc, and then goes off. will then close and remain closed for the remainder of the weld cycle.
Thus, when the arc is ignited and the potential drops in the solder conductor 12, the voltage controlled relay 37 closes and puts the motor 22 advancing the wire directly to ground at 38. Therefore, the voltage controlled relay resistor 24 is shunted hora from the circuit, which allows normal advancement of the wire, despite the voltage drop in the solder circuit.
In the case of this circuit diagram, the motor 29 for controlling the carriage is supplied with 110 volts direct current, in a manner similar to that shown in FIG. 1. The starting of the motor 29 is controlled by the relay 39 controlled by the voltage, which is interposed in the armature circuit. The characteristics of this relay 39 are such that it closes at voltages above about 40 and opens at voltages below about 0. The relay 39 is constructed in such a way that it will open relatively slowly,
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so that it will not open under the effect of momentary drops in voltage, as for example at the first ignition of the arc.
Acceleration of the trolley drive motor 29 is accomplished in a manner similar to that illustrated in FIG. 1, except that the time controlled relays 31 and 34 are actuated by the same voltage which operates the cart drive motor. In other words, these relays start measuring time from the moment the voltage control relay 39 operates.
The operation of the motor 29 for advancing the carriage is also subject to the control of the relay 39 A which is mounted in series with the relay 39 controlled by voltage. The relay 39A is connected in such a way that it can be energized by the push-button 16, or by the shunt 28, or simultaneously by these two means. Under these conditions, it may be desirable to remove relay 39 and perform control only by means of relay 39A.
This solder circuit works as follows. When push-button 16 is pressed, relay 17 closes and bypasses resistor 18 out of the exciter circuit. With this resistor 18 switched off, the generator 10 acts to generate the full welding voltage which is close to 80 to 110 volts.
Depression of push-button 16 causes relay 39A to close.
When generator 10 produces 40 volts, voltage controlled relay 39 closes and initiates acceleration of the cart drive motor, through relays 31, 34 and resistors 32 and 33. When the generator voltage exceeds 40 volts, the voltage controlled relay 37 opens and inserts resistor 4 into the wire feed motor circuit. When the generator voltage has reached nearly full value or near 80 volts, the voltage controlled relay 35 closes and starts the wire feed motor 22 at a reduced speed.
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due to the presence of resistor 4 in the circuit.
The relay 35 is constructed such that the coil connected to the push button 16 is insufficient to actuate the armature as long as it is not aided by the coil connected between the solder conductor 12 and earth. A potential of about 40 volts in conductor 12, in combination with the energy derived from pusher 16, will suffice to close relay 35.
Once the relay 35 is closed, the energy of the pusher 15 will be sufficient to keep it closed, despite the variations in voltage in the solder conductor. The operation of the motor 22 advances the wire 13 towards the part 14 and causes the arc. Ignition of the arc obviously results in a sharp drop in voltage in conductor 1. When the voltage has fallen to a predetermined value of around 30 volts, relay 37 makes contact and shunts it. resistor 24 out of the circuit of the motor 2'd and therefore allows this motor to advance the wire at normal speed despite the voltage drop in the main solder circuit.
It should be noted that the operation described with reference to FIG. 2 is generally similar to that described with reference to FIG. 1, except that in Fig. 2 the time required to raise the voltage from the minimum value to the full value, is used to regulate, in time, the various operations, rather than to regulate, in time, the delay relays, which are adjusted to s arbitrary time frames.
To end the welding cycle, the pusher 16 is released.
When the coil of relay 35, which is controlled by push-button 16, is no longer carrying current, this relay opens and stops motor 22, since the low voltage used during welding is insufficient to keep this relay closed. . After releasing the pusher 15 and stopping the motor 22, the motor 9 for actuating the carriage continues to operate since the coil of the relay 39A, which is actuated by the shunt 28, maintains this
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relay closed. Likewise, relay 17 is kept closed by shunt 8 and maintains the full welding voltage in generator 10. The advancement of the wire being suppressed, normal consumption produces the extinction of the arc.
When the welding current is removed, the relays 17 and 39A open rapidly and cause the voltage of the generator to drop and the stop of the motor 29 for advancing the carriage. The machine is now stopped and ready for a new welding operation.
Fig. 3 shows a variant of the circuit according to Figs 1 and 2.
The circuit of FIG. 3 can be applied directly to those shown in Figs. 1 and 2 and be controlled by the same button 16.
When this is depressed, the delay relay 43 begins to measure the time and closes after a predetermined interval. When the relay 43 closes, the solenoid 44 is energized, which has the effect that the armature 45 of the solenoid moves upwards and drives the wire advancement support 46, which carries the mechanism comprising the motor. 22 advance wire (not shown) which advances wire 13 as solder progresses. The ordinarily abrupt action of the solenoid 44 is damped by the dashpot 47, to make the action controllable over time.
When the circuit of FIG. 3 is used in combination with the circuits shown in Figs. 1 and 2, relay 43 is set such that removal of the solder wire by solenoid 44 will not occur until generator voltage has established and solder current begins to flow. indeed, alternatively, solenoid 44 can be set to act at any desired time after contact has been made by pusher 16 and the normal course of soldering has begun.
By a judicious adjustment of the characteristics of the dash-pot 47 and the superposition of these characteristics and the normal acceleration characteristics of the series motor used for the advancement of the support wire.
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hard, practically any acceleration and any forward speed of the welding wire can be achieved. The actual advancement obtained is obviously the algebraic sum of the movement imparted by the wire feed motor 22 and by the solenoid 44. The characteristics of the dashpot 47 are controlled at will by expedients such as the provision of grooves or lights in the cylinder to regulate the exhaust of the engine fluid. See "Damping Characteristics of Dashpots" by Peterson, as published in "Froduct Engineering", November 1947, page 139 et seq.
As a variant of the circuit which has just been described, the relay 43 can be actuated by the current derived from the shunt 28 ,, instead of the energy received via the push-button 16. This results in a circuit which is a little less critical since the withdrawal of the solder wire 13 by the solenoid 44 is initiated by the start of the solder current. It is obviously at this moment that this withdrawal must be carried out to properly strike the arc.
The circuit shown in Fig. 3 can also be incorporated into those shown in Figs. 1 and 2, so as to obtain a somewhat different result. It will be seen that in the circuits shown in Figs. 1 and 2, there is relative movement of the weld wire and the work piece before the motor 22 acts to ignite the arc. Under these conditions, it may be desirable to produce ignition of the arc before the relative movement of the weld wire and the workpiece. This method is called the stopped start, as opposed to the flywheel start illustrated in Figs. 1 and 2. In these stopped starts, the motor 9 for advancing the carriage is started for a determined time after the welding current has started to flow.
This gives sufficient time for a pool of molten metal to form under the welding electrode. The starting of the motor 29 for the advance of the carriage must be adjusted in time * in such a way that it follows the ignition of the arc within a not too long period.
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to prevent a hole from being burnt in the workpiece, especially when it comes to thin sheet metal. Under these conditions, it is sometimes practical to do away with the speed control of the wire feed motor 22, which is applied in Figs. 1 and, and completely rely on the wire withdrawal mechanism, shown in Fig. 3, to establish the arc.
In each case, it has been found advisable to gradually accelerate the carriage advance motor 29 from standstill to full speed to ensure smooth arc ignition. it goes without saying that the retraction mechanism shown in FIG. 3 can be used in combination with the delayed advancement of the wire according to Figs. 1 and 2, or can be used separately. The special conditions that arise in each individual weld job must be taken into consideration in determining the exact circuit to be employed.
In most cases, it will be found that safer operation is obtained if the starting of the carriage advance motor is controlled by current shunted from shunt 28, since a rather precise correlation between the beginning of the flow of the welding current and the starting of this motor 29.
Fig. 4 shows a modification which can be made to the circuits illustrated in Figs. 1 and, to help ignite the arc. In this figure, a voltage and current relay 40 is shunted on the resistor 21 which controls the maximum voltage produced by the generator 10. The armature of the relay 40 is provided with two separate and distinct windings, arranged in such a way that ' they produce mutually opposite flows. The voltage coil of relay 40 is connected between the main solder conductor 12 and the earth at 41. The current coil of the relay 40 is connected to the shunt 4 inserted in the main solder conductor 12.
This relay is arranged so that the voltage coil will cause the relay to close at a voltage
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intermediate between the normal welding voltage and the maximum voltage produced by the generator when resistor 21 is in series with the field of the generator. When the voltage to the generator 10 increases after depressing the pusher 16, this relay will close and bypass the resistor out of the generator field circuit. Removal of this resistor 21 from the generator field circuit causes the generator to produce the maximum voltage it is capable of generating and therefore makes a huge current surge available to produce a very hot arc for to drive the welding operation through the difficult start-up period.
The initial jerk of the welding current is obviously reflected in the shunt 42 and the current coil of the relay 40, which is connected to this shunt. As long as the current box is wound so as to resist magnetically against the voltage coil, relay 40 will open promptly as soon as solder current begins to flow and therefore return resistor 21 to its normal generator flow control function. This rapid reinsertion of resistor 21 into the field circuit of generator 10 will, for an appreciable time, prevent excessive current from flowing into the main solder circuit, and will prevent burn-out of the workpiece.
It should be noted that if conditions are less critical, the current coil and shunt 43 can be omitted, allowing relay 40 to simply open due to the voltage drop accompanying the onset of soldering.
Likewise, if the circumstances so require, relay 40 can be of a type such that it will close for a predetermined period of time and then open. Such an arrangement is useful when particularly difficult starting conditions are encountered. The arrangements shown in Fig. 4 have been described especially for their combined use with the circuits illustrated in 'igs. 1 and 2. It is understood, however, that under certain conditions, the special arrangements of Figs can be omitted. 1 and
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.2 and complete the start-up simply by using the device shown at rod 4.
When the circuit according to Fig. 4 is used in combination with those shown in Figs. 1 and 2, the circuit according to 'ig. is simply added to that illustrated in these Figures.
No other modification of the circuit illustrated in Figs. 1 and is necessary for the adaptation of that shown in FIG. 4.
In Fig. 5, the various electrical phenomena occurring when starting an automatic arc welding machine have been shown as a function of time. This is the best illustration of the succession of events occurring during the start-up of an automatic arc welding machine. In this figure, time is plotted on the abscissa, while the ordinates represent the relative magnitude of generator voltage, carriage speed, wire feed speed, and weld current.
Numerical values have not been given to the ordinates, nor to the abscissas, since the ordinates are intended only to show relative values, and the abscissas to show the passage of time, however, simply information, it should be noted that in a normal welding apparatus, the complete cycle shown in Fig. 5 should last less than two-seconds. In this diagram, the space between the ordinate and the line A represents the time before welding, that is to say before the actual start of the welding cycle under the effect of the depression of the pusher 16. The Generator voltage is represented by a solid line and, during this period before soldering, only reaches the minimum voltage.
When push-button 16 is pressed, relay 17 closes and the generator voltage rises to a maximum and remains at this value up to the vertical line C, at which time the arc is ignited and the generator voltage drops. quickly and then rises to the normal welding voltage which, as will be seen, is higher than the minimum voltage. At the vertical line B,
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and during the creation of the voltage of the generator, the relay 23 closes and causes the start of the wire feed motor.
The speed of this motor is represented by the dashed line, which rises to a maximum, until it is interrupted by the ignition of the arc at the vertical line C. then, this speed drops slightly until relay 27 closes and returns the wire feed speed to a value approaching that which was reached when the wire encountered the workpiece. It should be noted that this value is substantially the same. marl than that used for normal welding, shown to the right of the figure. Recessing the pusher 16 obviously causes the closing of the relay 30 and immediately starts the motor for advancing the carriage. The speed of this motor is represented by the dashed line.
It will be seen that there occurs a gradual acceleration up to line E, where relay 39 closes, a faster acceleration up to line F, where relay 33 closes, and a final acceleration up to until the final value is reached during welding. The welding current is represented by the dotted line and obviously rises from zero, when the arc is ignited at line C, to a maximum jerk, and then falls back to the normal welding current. It should be emphasized that Fig. 5 shows only an approximation of the exact succession of phenomena and, in practice, variations may occur, without departing from the spirit of the invention.
For clarity, the phenomena occurring at the end of the welding cycle have been omitted in FIG. 5. It seems that these phenomena have been fully explained in the description, if we consider them with reference to FIG. 5.
The apparatus which has just been described is usually employed with the type of connection referred to as "reverse polarity". This is not essential, however, and if the circumstances so require, normal polarity can be used. This process is suitable
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particularly in the "submerged arc welding" process, in which a bare solder wire is introduced into a granular mass of mineral flux II can however also be used with a conventional coated bar, or with a bare bar , without using flux.
In the description, the use of a series motor as a motor for advancing the solder wire has only been considered. This is not essential, however, if proper control of solder wire advance can be achieved by automatic controls operating with other types of motive power. Thus, for example, the motor employed to bring the wire to the arc can have a field permanently excited by a fixed voltage source and the armature can be energized by the welding circuit.
This will obviously give rise to a slightly less voltage sensitive control in the solder circuit than is the case with the series motor usually employed. In the description, reference has always been made to resistors as a means for limit the speed of the various motors. It goes without saying that any other known means of controlling the speed of motors can be substituted for the usual resistors.
CLAIMS.
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