DE4138923C2 - Elektronische Vorrichtung zum Regeln des Schweißstroms beim Widerstandsschweißen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Vor­ richtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentan­ spruchs 1.

Wie man weiß, ist es insbesondere beim Rollennahtschweißen von äußerster Wichtigkeit, den Schweißstrom derart zu re­ geln, daß verschweißte Verbindungen ohne Unterbrechungen und Materialspritzer sowie mit Abmessungs- und Qualitätsei­ genschaften soweit wie möglich gleichbleibend über die Zeit und in Übereinstimmung mit bestimmten Spezifikationen her­ gestellt werden. Beispielsweise sollten alle Schweißpunkte untereinander gleiche Abmessungen aufweisen, sei es in Längsrichtung, sei es in Querrichtung und sei es in Tiefen­ richtung.

Auf diesem Gebiet werden heutzutage verschiedene Regelungs­ methoden verwendet, die in elektrischer und elektronischer Hinsicht mehr oder weniger perfektioniert sind und mit de­ nen die oben genannten Zwecke erreicht werden können.

Eine der bedeutendsten Lösungen, die es zuerst erlaubt hat, die Schweißgeschwindigkeit zu erhöhen und folglich eine hö­ here Produktionsgeschwindigkeit zu erreichen, ist jene, die durch das Ausnutzen von Wechselstrom sinusförmiger Art er­ halten wurde, und zwar mit um so viel höheren Frequenzen, wie es der erforderlichen Schweißgeschwindigkeit entsprach. Zu diesem Zweck werden häufig rotierende oder statische Frequenzwandler eingesetzt. Diese Lösung bringt jedoch ei­ nige Nachteile mit sich, u. a. auch den einer übermäßigen Aufheizung des Schweißgerätes einschließlich des Schweiß­ transformators und allen damit zusammenhängenden Elementen, und zwar bei relativ hohem Stromverbrauch und damit einer größeren Notwendigkeit eines Kühlens.

Mit einer zweiten Lösung werden die vorstehend genannten Nachteile vermieden, indem ein Wechselstrom mit Wellen nichtsinusförmiger Art, sondern praktisch "quadratischer" Art, verwendet wird, welcher gegenüber den sinusförmigen Wellen erhebliche Vorteile bietet. Tatsächlich wird die Energie auf gleichmäßige Weise auf das zu schweißende Mate­ rial übertragen, und es können niedrigere Strom- und Fre­ quenzwerte Anwendung finden, wobei das Aufheizen des Schweißgerätes und der Stromverbrauch zum Schweißen und zum Kühlen des Gerätes selbst drastisch verringert werden. Schließlich kann festgestellt werden, daß die quadratische Welle des Stromes gegenüber einer sinusförmigen Welle "so­ fort" ihren maximalen Amplitudenwert erreicht und nicht nach etwa ¼ der Periode, wie es bei der sinusförmigen Wel­ le der Fall ist.

Diese Vorgehensweise führt jedoch zu einer äußerst aufwen­ digen Ausbildung der Schweißgeräte, um die maximale Steil­ heit der quadratischen Schweißwelle erreichen zu können.

Durch die Möglichkeit, mit Strömen von immer niedrigerer Frequenz bei gleicher Produktionsgeschwindigkeit zu arbei­ ten, werden alle die Probleme weitestgehend gelöst, die insbesondere mit Stromverlusten verbunden sind, zum Bei­ spiel bei Wirbelströmen oder sogenannten Foucault-Strömen, welche direkt proportional zu den Induktionserscheinungen sind, die um so höhere induktive Reaktanzen bewirken, je höher die Arbeitsfrequenzen sind.

Infolge dessen wurden erhebliche Vorteile erreicht, indem nur ein einziger Gleichrichter verwendet wurde, der eine kontinuierliche Spannung an einen anschließend angeordneten und vollkommen transistorisierten Wechselrichter liefert, der den Schweißtransformator speist.

Der Wechselrichter unterliegt der Wirkung eines elektroni­ schen Reglers, der dazu vorgesehen ist, die Amplitude und die Frequenz des Schweißstroms mit festgelegten Referenz­ werten zu vergleichen. In Abhängigkeit von diesem Vergleich regelt der Regler den Wechselrichter auf eine Weise, daß die von diesem gelieferte Spannung als die notwendige er­ scheint, um den gewünschten Schweißstrom zu erzeugen. In diesem Fall erreicht die erhaltene Wellenform des Schweiß­ stroms den vorgegebenen Amplitudenwert in der kürzest mög­ lichen Zeit in Übereinstimmung mit der Bemessung des Trans­ formators selbst. Wenn der gewünschte Amplitudenwert er­ reicht ist, verlischt der erste Impuls, und der Strom nimmt mit einer bestimmten Zeitkonstanten ab, und zwar so lange, bis nicht ein zweiter Impuls auftritt, der den Kreis wieder auflädt usw., bis zum Vorzeichenwechsel. Auf diese Weise weist die in einer Halbperiode erhaltene Wellenform wenig­ stens um ihren Spitzenwert herum eine Reihe von miteinander verbundenen Spitzen auf, die den Schweißpunkten entspre­ chen. In diesem Fall besteht jedoch der Nachteil, der häu­ fig auftritt, daß die Stromspitzen nicht direkt gesteuert sind und sich daher unterschiedlich voneinander erweisen, und zwar zum Nachteil der erhaltenen Qualität der Schweiß­ naht, deren verschiedene Schweißpunkte voneinander abwei­ chende Abmessungen und Festigkeiten aufweisen können, und die außerdem entlang der übereinander liegenden Kanten der Dosenkörper nicht gleichmäßig verteilt sind. Außerdem ist auch in diesem Falle stets eine kontinuierliche Komponente des Schweißstromes vorhanden, welche die sogenannten Schweißspritzer bewirkt.

Eine elektronische Vorrichtung zum Regeln des Schweißstro­ mes beim Widerstandsschweißen mit Merkmalen des Oberbe­ griffs des Patentanspruch 1 ist aus der US 4 721 841 be­ kannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Vorrichtung zum Regeln des Schweißstromes zu schaffen, mit der mit besonders hohen Schweißgeschwindig­ keiten ohne übermäßiges Aufheizen gearbeitet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der angegebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer elektronischen Vor­ richtung zum Regeln des Schweißstromes;

Fig. 2 das Spannungssignal am Ausgang des Wechselrich­ ters von Fig. 1;

Fig. 3 den Strom an der Sekundärwicklung des Transfor­ mators der Vorrichtung der Fig. 1;

Fig. 4 das Spannungssignal am Ausgang des Wechselrich­ ters von Fig. 1, jedoch mit einer anderen Netz­ frequenz;

Fig. 5 den Strom an der Sekundärwicklung des Transfor­ mators der Vorrichtung mit einer Spannung an der Primärwicklung wie in Fig. 4; und

Fig. 6 den Strom an der Sekundärwicklung des Transfor­ mators bei gleicher Netzfrequenz wie in Fig. 3, jedoch mit einer größeren Zahl von Impulsen.

Wie man den Figuren entnehmen kann, besitzt die dargestell­ te elektronische Vorrichtung einen Gleichrichter 1, dessen Ausgang an den Eingang eines vollkommen transistorisierten Wechselrichters 2 angeschlossen ist, welcher eine Spannung vt an die Primärwicklung 5 eines Schweißtransformators 3 liefert, dessen Ausgang einen Schweißstrom Is als Funktion der Spannung vt an Schweißrollen 10 abgibt.

Der Wechselrichter 2 wird von einem elektronischen Regler 4 angesteuert, der unter Rückkopplung auf den Primärkreis 5 oder den Sekundärkreis 6 des Schweißtransformators 3 einen Vergleich von wenigstens Amplituden- und Frequenzwerten durchführt, wie schematisch bei 8 dargestellt.

Die Vorrichtung besitzt ferner eine erste Schaltung 7, die auf den Wechselrichter 2 einwirkt, sowie eine zweite Schal­ tung 9, die auf den Primärkreis 5 des Schweißtransformators 3 einwirkt. Die Funktionen dieser Schaltungen werden nach­ stehend erläutert. Der Regler 4 regelt den Wechselrichter 2, indem er auf die Logik des Wechselrichters 2 einwirkt, und zwar in dem Sinne, daß die den Wechselrichter 2 bilden­ den Transistoren leitend oder nicht leitend gemacht werden, so daß die Ausgangsspannung vt des Wechselrichters 2, die den Schweißtransformator 3 speist, über jede Halbperiode T/2 der Netzfrequenz eine Anzahl von Impulspaaren aufweist, im wesentlichen stufenförmig, die in den Figuren mit s be­ zeichnet und wechselweise positiv und negativ sind sowie einen absoluten vorgegebenen Maximalwert Yv sowie eine fe­ ste Impulsdauer τ besitzen.

Diese Impulse s sind so ausgebildet und in der Halbperiode T/2 so verteilt, daß sich der Schweißstrom Is mit einem ab­ soluten vorgegebenen Maximalwert Yi als periodisch erweist und eine Wellenform hat, die in der Halbperiode T/2 ent­ sprechend jedem Paar der stufenförmigen Impulse s der Span­ nung vt einen sägezahnförmigen Impuls aufweist, der in den Figuren mit g bezeichnet ist und einen absoluten Maximalwert Yi hat. Dieser Impuls ist im wesentlichen in zwei Rampen unterteilbar, und zwar eine erste Rampe, die von ihrem Nullwert ausgeht und den Wert Yi in der Zeit τ erreicht, und eine zweite Rampe, die vom Ende der ersten Rampe aus­ geht, welche den Wert Yi erreicht, und ihren Nullwert in einer Zeit τ' erreicht, die natürlich anders sein kann als die Zeit τ.

Was die erste Schaltung 7 betrifft, so ist diese in der Lage, die gewünschte Zahl der Impulspaare s der Spannung vt fest­ zulegen, welche stets die gleiche Impulsdauer besitzen, und zwar in Abhängigkeit von den sägezahnförmigen Impulsen g, die in der Halbperiode T/2 des Schweißstromes Is gewünscht werden.

Wie aus den Figuren ersichtlich ist, sind die sägezahnför­ migen Impulse g, welche die Wellenform des Schweißstromes Is bilden, in jeder Halbperiode T/2 entweder alle positiv oder alle negativ.

In dem in den Fig. 3 und 5 dargestellten Fall weisen die Impulse des Schweißstromes Is eine erste Rampe auf, die von ihrem Nullwert ausgeht und den Wert Yi erreicht, und zwar in einer Zeit τ, die mit der Zeit übereinstimmt, in der die zweite Rampe, die vom Ende der ersten Rampe beim Wert Yi ausgeht, ihren Nullwert erreicht. In diesem besonderen Fall wird als Bezug die Null genommen. Wertet man den ersten sägezahnförmigen Impuls g aus, so ist festzustellen, daß die­ ser den absoluten Maximalwert Yi wiedergibt und im wesent­ lichen in zwei Rampen unterteilbar ist, d. h. eine erste an­ steigende Rampe mit einer Steilheit mit einem absoluten Wert von Yi/τ, welche dem Zeitmoment t = 0 zugeordnet ist, und eine zweite abfallende Rampe mit einer Steilheit von -2Yi/τ, welche dem Zeitmoment von t = τ zugeordnet ist.

In einem weiteren, hier nicht dargestellten Fall kann die Wellenform einen Verlauf aufweisen, bei dem wenigstens die zweite Rampe aus wenigstens einem ersten und einem zweiten Abschnitt besteht, die unterschiedliche Steilheiten besit­ zen. Auf diese Weise kann der Formfaktor reguliert und der geringste Maximalwert abgerufen werden, um den gleichen Wirkungsgrad zu erhalten. Wie bereits erwähnt, kann durch die Verwendung der ersten Schaltung 7 eine andere Zahl von Impulsen der Dauer τ in der Halbperiode T/2 der Spannung vt am Ausgang des Wechselrichters 2 zur Verfügung gestellt werden, die im Falle der Fig. 4 und 5 doppelt so hoch ist wie die der Fig. 2 und 3. Auf diese Weise erhält man eine Wellenform des Schweißstroms Is, die in der Halbperi­ ode eine größere Zahl von sägezahnförmigen Impulsen g auf­ weist, wobei die Frequenz halbiert ist.

Durch die Halbierung der Frequenz wird auch die Umschalt­ frequenz des Magnetflusses halbiert, was mit einem Senken der Verluste und einer Vermeidung der Erhitzung des Gerätes verbunden ist. Was die Schweißgeschwindigkeit des Gerätes anbetrifft, so kann man, wenn man von einer halbierten Fre­ quenz ausgeht, wie im Falle der Fig. 4 und 5, die Schweißgeschwindigkeit unter Erhöhung der Frequenz erhöhen, so daß auch bei Verdopplung der Schweißgeschwindig­ keit die gleiche Frequenz vorhanden ist wie die, als mit niedriger Geschwindigkeit geschweißt wurde.

An dem Punkt, an dem das Umschalten des Schweißstromes Is erfolgt, besitzt der Impuls eines Impulspaares s der Spannung vt, der der Umschaltung entspricht, eine Impuls­ dauer τ", die größer ist als die Impulsdauer τ, wobei die Umwandlung des Vorzeichens des Impulses g des Stromes Is erfolgt, wenn dieser seinen absoluten Maximalwert Yi er­ reicht hat.

Wie bereits erwähnt, gehört zu der elektronischen Vorrich­ tung auch eine zweite Schaltung 9, die auf den Primärkreis 5 des Schweißtransformators 3 einwirkt und in der Lage ist, die Zahl der Windungen in bezug auf das Transformationsver­ hältnis n = N1/N2 auszuwählen. Auf diese Weise ist es mög­ lich, den Maximalwert Yv der Impulse s und die Impulsdauer der Spannung vt zu verändern, so daß bei gleicher Netzfre­ quenz die Zahl der Impulse g des Schweißstromes Is, die in einer gleichen Halbperiode T/2 vorhanden sind, geändert werden kann.

Auf diese Weise ergibt sich, daß eine Erhöhung der Zahl der Windungen der Primärwicklung 5 des Schweißtransformators 3 einer größeren Zahl von Impulsen g des Schweißstromes Is entspricht, die in einer gleichen Halbperiode T/2 vorhanden sind, und umgekehrt.

Claims (7)

1. Elektronische Vorrichtung zum Regeln des Schweißstroms beim Widerstandsschweißen, insbesondere beim Rollen­ nahtschweißen von metallenen Dosenkörpern, enthaltend einen Gleichrichter (1), dessen Ausgang an den Eingang eines Wechselrichters (2) angeschlossen ist, welcher mit einer Spannung (vt) die Primärwicklung eines Schweißtransformators (3) speist, dessen Sekundärwick­ lung einen Schweißstrom (Is) liefert, wobei der Wech­ selrichter (2) von einem Regler (4) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (4) den Wechsel­ richter (2) auf solche Weise regelt, daß dessen Aus­ gangsspannung (vt) zum Speisen des Transformators (3) für jede Halbperiode T/2 seiner Netzfrequenz eine An­ zahl von im wesentlichen rechteckförmigen und wechsel­ weise positiven und negativen Impulspaaren (s) mit ei­ nem vorgegebenen Spitzenwert Yv und einer Impulsdauer einer bestimmten Zeit τ aufweist, so daß sich ein pe­ riodischer Schweißstrom (Is) mit einem vorgegebenen Ma­ ximalwert Yi ergibt, der in der Halbperiode T/2 ent­ sprechend jedem Paar der rechteckförmigen Impulse (s) der Spannung (vt) eine Wellenform hat, die einen säge­ zahnförmigen Impuls (g) mit einem absoluten Maximalwert Yi aufweist und in zwei Rampen unterteilbar ist, und zwar eine erste Rampe, die von ihrem Nullwert ausgeht und den Wert Yi in einer Zeit τ erreicht, und eine zweite Rampe, die von dem Ende der ersten Rampe bei dem Wert Yi ausgeht und ihren Nullwert in einer Zeit erreicht.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die sägezahnförmigen Impulse (g) des Schweiß­ stroms (Is) in jeder Halbperiode T/2 der Netzfrequenz entweder alle positiv oder alle negativ sind.

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste Rampe, die von ihrem Null­ wert ausgeht, den Wert Yi in einer Zeit τ erreicht, die mit der Zeit übereinstimmt, in der die zweite Rampe, die vom Ende der ersten Rampe beim Wert Yi ausgeht, ih­ ren Nullwert erreicht.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens die zweite Rampe aus wenigstens einem ersten und einem zweiten Abschnitt gebildet ist, die unterschiedliche Steilheiten aufwei­ sen.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Regler (4) von einer er­ sten Schaltung (7) angesteuert wird, die die gewünschte Zahl der Impulspaare (s) sowie die Zeitdauer, über die der Regler (4) den Wechselrichter (2) ansteuert, fest­ legt, und zwar in jeder Halbperiode T/2 der Netzfre­ quenz und in Abhängigkeit von der gewünschten Zahl von sägezahnförmigen Impulsen (g) in der Halbperiode T/2 der Netzfrequenz des Schweißstromes (Is).

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Impuls der Im­ pulspaare (s) eine Impulsdauer τ" aufweist, die größer ist als die Impulsdauer τ, wobei die Umwandlung des Vorzeichens des sägezahnförmigen Impulses (g) des Schweißstromes (Is) erfolgt, wenn der Impuls einen ab­ soluten Maximalwert (Yi) erreicht hat.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß sie eine zweite Schaltung (9) aufweist, die auf die Primärwicklung (5) des Schweiß­ transformators (5) wirkt und in der Lage ist, die Zahl der Windungen in bezug auf das Transformationsverhält­ nis (n = N1/N2) zu wählen, so daß der Maximalwert (Yv) der Impulse (s) und die Impulsdauer τ der Spannung (vt) verändert wird, so daß für die gleiche Netzfrequenz die Zahl der Impulse (g) des Schweißstromes (Is) geändert werden kann, die in einer gleichen Halbperiode T/2 vor­ handen ist, wobei eine Erhöhung der Zahl der Windungen der Primärwicklung (5) des Transformators (3) einer größeren Zahl von Impulsen (g) des Schweißstromes (Is) entspricht, die in der gleichen Halbperiode (T/2) vor­ handen sind, und umgekehrt.