Vorrichtung zum Lichtbogenschweissen mit Wechselstrom, insbesondere unter Schutzgas
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lichtbogenschweissen mit Wechselstrom, insbesondere unter Schutzgas, mit einer einen Kondensator enthaltenden Filtereinheit im Schweissstromkreis zur Beseitigung einer während des Schweissens auftretenden Gleichstromkomponente des Schweisswechselstromes.
Es ist bekannt, dass beim Lichtbogenschweissen mit Wechselstrom bei einer Reihe von Werkstoffen im Schweissstromkreis ein Gleichrichtungseffekt auftritt, dessen Ursache eine verschieden grosse Elektronenemissionsfähigkeit von Werkstück und Elektrode ist.
Beim Schweissen von Aluminium oder Aluminiumlegierungen beispielsweise ist im allgemeinen die Schweissstromstärke in derjenigen Halbperiode, in der die Elektrode negativ ist, grösser als in der darauffolgenden, in der die Elektrode positiv ist. Der resultierende elektrische Strom im Schweiss stromkreis kann als ein Wechselstrom mit überlagerter Gleichstromkomponente aufgefasst werden.
Diese Gleichstromkomponente ist aus verschiedenen Gründen unerwünscht. Vom Gleichstromschweissen von Aluminium her ist es bekannt, dass eine wesentlich bessere Schweissnaht erzielt werden kann, wenn die Elektrode positiv ist, als wenn das Umgekehrte der Fall ist. Durch den Gleichrichtungseffekt beim Wechselstromschweissen von Aluminium wird jedoch gerade diejenige Halbwelle des Schweisswechselstromes bevorzugt, bei der die Elektrode negativ ist, d. h. es fliesst im Schweissstromkreis ein Wechselstrom, dem eine Gleichstromkomponente in der ungünstigen Richtung überlagert ist. Dies führt zu ähnlichen schlechten Schweiss ergebnissen, wie das Gleichstromschweissen von Aluminium mit negativer Elektrode. Weiterhin entstehen durch die Gleichstromkomponente im Schweissstromkreis nachteilige Rückwirkungen auf den Schweisstransformator und auf die üblicherweise im Schweissstromkreis verwendeten Drosseln.
Da der Kern des Schweisstransformators durch die Gleichstromkomponente teilgesättigt wird, ergibt sich eine grössere primäre Stromaufnahme, die zur Folge hat, dass der Transformator mit niedrigerer Leistung betrieben werden muss, um Beschädigungen desselben zu vermeiden. Auch die Drosseln im Schweissstromkreis werden durch die Gleichstromkomponente teilgesättigt und verlieren dadurch weitgehend den ihnen zugedachten Einfluss auf den Schweissstrom.
Es sind verschiedene Mittel bekannt geworden, diese Gleichstromkomponente zu unterdrücken oder ganz zu beseitigen. Es wurde beispielsweise vorgeschlagen, in den Schweiss stromkreis eine Gleichstromquelle so einzuschalten, dass die Gleichstromkomponente zumindest teilweise kompensiert wird. Weiterhin ist es bekannt geworden, in den Schweissstromkreis zwei Ein weggleichrichter umgekehrt parallel zueinander einzuschalten und im Stromkreis eines der beiden Gleichrichter einen Widerstand vorzusehen. Derartige Mittel arbeiten jedoch unbefriedigend, weil der Gleichrichtungseffekt des Lichtbogens während des Schweissens im allgemeinen stark schwankt und diese Schwankungen als unregelmässig auftretende Gleichstromkomponenten teilweise erhalten bleiben.
Besser bewährt hat sich das Einschalten von Kondensatoren in den Schweissstromkreis, die eine völlige Unterdrückung der Gleichstromkomponente bewirken. Derartige Schaltungen mit Kondensatoren werden auch häufig angewendet.
Während die Kondensatoren im Schweissstromkreis im Verlauf des eigentlichen Schweissvorganges bis zu einem gewissen Grade brauchbare Mittel darstellen, die nachteiligen Wirkungen der Gleichstromkomponente zu beseitigen, sind sie jedoch beim Zünden des Wechselstromschweisslichtbogens störend. Bei kalter Elektrode und kaltem Werkstück tritt nämlich ebenfalls eine starke Gleichrichtung des Schweisswechselstromes auf, jedoch in der umgekehrten Richtung wie während des Schweissens mit heisser Elektrode, da zunächst die Elektronenemissionsfähigkeit des Werkstücks grösser ist als die der kalten Elektrode. Dieser Gleichrichtungseffekt ist so lange vorhanden, bis die Elektrode eine genügend hohe Temperatur erreicht hat. Bei kalter Elektrode fliesst demnach der Strom im Schweissstromkreis nahezu ausschliesslich während derjenigen Halbwelle, bei der die Elektrode positiv ist.
Dieser gleichgerichtete Wechselstrom im Schweissstromkreis wird jedoch durch einen in den Schweissstromkreis eingeschalteten Kondensator unterdrückt, wodurch die Zündung des Lichtbogens sehr erschwert wird. Unabhängig von diesen Zündschwierigkeiten hat sich darüber hinaus gezeigt, dass zwar einerseits die Verwendung eines Kondensators im Schweissstromkreis erhebliche Vorteile bringt, dass jedoch anderseits vielfach noch Störungen des Lichtbogens während der schlechter brennenden Halbwelle auftreten, die bisher nicht immer verhindert werden konnten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Lichtbogenschweissen mit Wechselstrom zu entwickeln, bei welcher einerseits die Gleichstromkomponente des Schweisswechselstromes durch eine Filtereinheit beseitigt und anderseits eine sichere Zündung und eine Stabilisierung der schlechter brennenden Halbwelle des Lichtbogens erzielt wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Filtereinheit für Gleichstrom in der, der zur beseitigenden Gleichstromkomponente entgegengesetzten Richtung durchlässig ist.
Bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung besteht die Filtereinheit aus einem Kondensator und einem diesen überbrückenden Einweggleichrichter, dessen Pluspol an der Schweisselektrode liegt. Bei einem anderen, ebenfalls vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung wird der übliche Kondensator durch einen spezialgepolten Kondensator ersetzt, der sich bei Stromrichtung von der Gegenelektrode (Kathode) zur Anode des Kondensators nicht auflädt und dessen Anode mit der Schweisselektrode verbunden ist.
Die erfindungsgemässe Schweissvorrichtung besitzt in erster Linie zwei wesentliche Vorteile gegenüber den bekannten Vorrichtungen mit einem gewöhnlichen Kondensator im Schweissstromkreis. Einerseits ermöglicht die Filtereinheit ein sicheres Zünden des Lichtbogens in kaltem Zustande der Elektrode, beispielsweise mit Hilfe einer überlagerten Hochfrequenz, und zwar dadurch, dass die bei kalter Elektrode nahezu ausschliesslich auftretenden Halbwellen des Schweisswechselstromes, bei denen die Elektrode positiv ist, ungehindert die Filtereinheit passieren können. Anderseits ermöglicht der in der nur in einer Richtung für Gleichstrom durchlässigen Filtereinheit enthaltene Kondensator eine stabilisierende Wirkung. Dieser Kondensator wird z. B.
in derjenigen Halbwelle, in der die Elektrode negativ ist, positiv aufgeladen und bei der nächsten, an sich schlechter brennenden Halbwelle, bei der die Elektrode positiv ist, über den Lichtbogen entladen, wobei sich die Spannung des Kondensators zu der Spannung des Schweisstransformators addiert. Hierdurch wird die an sich schlechter brennende Halbwelle stabilisiert, während die andere, an sich besser brennende, jedoch für die Qualität des Schweissvorganges ungünstigere Halbwelle dadurch, dass der Kondensator in der umgekehrten Richtung nicht aufgeladen wird, keine zusätzliche Unterstützung durch diesen erhält.
Die Erfindung wird anhand des in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
Bei der in der Figur dargestellten Schweissvorrichtung ist die Sekundärseite des Schweisstransformators 1 einerseits mit dem Werkstück 2 und anderseits über die Filtereinheit 3 mit der Elektrode 4 verbunden. An Elektrode 4 und Werkstück 2 liegt ausserdem ein Zündgerät 5, beispielsweise ein Hochfrequenzzündgerät oder ein Impulsgenerator.
Die Filtereinhet 3 besteht aus einem Kondensator 6 und einem diesen überbrückenden Einweggleichrichter 7, dessen Pluspol an der Elektrode 4 liegt. Ausserdem ist der Kondensator 6 noch durch einen Entladewider- stand 8 überbrückt, der den Kondensator 6 nach Abschalten des Lichtbogens entlädt. Die Filtereinheit 3 kann selbstverständlich auch in der Leitung zum Werkstück 2 liegen.
Bei kalter Elektrode 4 und kaltem Werkstück 2 tritt während und nach dem Zünden zunächst lediglich ein Halbwellenstrom auf, bei dem die Elektrode 4 positiv ist und der Strom von der Sekundärseite des Schweisstransformators 1 über den Einweggleichrichter 7, Elektrode 4 und Werkstück 2 zurück zur Sekundärseite des Schweisstransformators 1 fliesst. Durch die Ermöglichung dieses Stromflusses kann der Lichtbogen leicht, beispielsweise mit Hilfe des Zündgerätes 5, gezündet werden, während der Zündvorgang erheblich erschwert wäre, wenn, wie bei den bekannten Schweissvorrichtungen, lediglich ein gewöhnlicher Kondensator, der diesen gleichgerichteten Wechselstrom unterdrückt, in den Schweissstromkreis eingeschaltet wäre.
Sobald hinsichtlich der Temperatur im Bereich der Schweissstelle stationäre Verhältnisse vorliegen, oder auch schon vorher, wenn die Temperatur der Elektrode 4 genügend hoch ist, tritt beim Schweissen vieler Werkstoffe eine Gleichstromkomponente im Schweiss stromkreis auf, die jedoch die Filtereinheit 3 nicht passieren kann, da sie vom Werkstück 2 zur Elektrode 4 gerichtet ist. Dar überhinaus wird jedoch durch die beschriebene Vorrichtung im Gegensatz zu den bekannten Schweissvorrichtungen noch derjenige Halbwellenstrom gegenüber dem entgegengesetzten verstärkt und dadurch stabilisiert, welcher von der Elektrode 4 zum Werkstück 2 gerichtet und von Natur aus schwach ist.
Dies geschieht dadurch, dass sich der Kondensator 6 nur einseitig aufund entlädt und sich deshalb seine Spannung zur Spannung des Schweisstransformators 1 nur dann addiert, wenn die an sich schlechter brennende Halbwelle durch den Lichtbogen geht.
Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung kann der Kondensator 6 im Gegensatz zu den Kondensatoren der bekannten Filtereinrichtungen ein gepolter Elektrolytkondensator sein, da er nur in einer Richtung aufgeladen wird. Eine Kapazität im Bereich von 100 Mikrofarad bis 400 Mikrofarad pro Ampere des maximalen Schweissstromes bei einer Arbeitsspannung von etwa 45 Volt ist hierbei zweckmässig. Der Einweggleichrichter 7 wird im wesentlichen nur während des Zündens und kurz danach vom Schweissstrom durchflossen und kann wegen dieser nur kurzzeitigen Belastung klein ausgelegt werden. Anstelle des Einweggleichrichters 7 können auch einem solchen gleichwertige Mittel, wie steuerbare Halbleiter, Thyratrons, Ignitrons oder ähnliche Schaltelemente verwendet werden.
Der Einweggleichrichter 7, bzw. die diesem gleichwertigen Mittel, sind für 50 % des maximalen Schweissstromes beim Zünden für eine Zeit von maximal 5 sec und für 5 bis 15 % des maximalen Schweissstromes beim Schweissen zu bemessen. Ihre maximale Sperrspannung muss mindestens der Spitzenspannung des Kondensators 6 ent sprechen und ist von der Leerlaufspannung des Schweisstransformators 1 unabhängig.
Die aus Kondensator 6 und Einweggleichrichter 7 gebildete Einheit kann durch spezialgepolte Kondensatoren ersetzt werden, welche die Eigenschaft haben, sich nur einseitig aufzuladen und die in der anderen Richtung einen geringen ohmschen Widerstand besitzen. Diese spezialgepolten Kondensatoren werden in den Schweissstromkreis so eingeschaltet, dass ihre Anode mit der Schweisselektrode verbunden ist.
Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung kann z. B.
der Kondensator 6 bzw. ein an seiner Stelle verwendeter spezialgepolter Kondensator, durch einen Entladewiderstand 8 überbrückt werden. Dieser entlädt den Kondensator 6 nach Unterbrechung des Lichtbogens in ungefähr einer Sekunde.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung eignet sich für alle Lichtbogenschweissverfahren mit Wechselstrom. Sie kann demnach mit Vorteil verwendet werden beim Schweissen mit nicht abschmelzender Elektrode mit oder ohne Schutzgas und mit oder ohne Zusatzdraht.
Auch beim Schweissen mit abschmelzender Elektrode, insbesondere auch beim Unterpulverschweissen mit Wechselstrom und bei anderen Wechselstrom- Lichtbogenschweissverfahren ist die Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung vorteilhaft.