NO150219B - Digitalt styrt registreringsinnretning - Google Patents

Description

Apparat for lysbuedrift.

Foreliggende oppfinnelse angår et apparat for lysbuedrift, særlig beregnet til utførelse av arbeider ved hjelp av en plasmastråle fra en overført lysbue, og apparatet skal ha egenskaper som gjør det lettere å starte lysbuen ved hjelp av en styrelysbue.

Når. det gjelder lysbuearbeider som f.eks. lysbueskjæring

og lysbuesmelting, har plasmastråler med overført lysbue i den senere tid fått stadig større anvendelse. Slike plasmastråler frembringes •

ved hjelp av.en lysbue mellom en hovedelektrode i et munnstykke og et arbeidsstykke, og lysbuen drives ved hjelp av en gasstrøm gjennom en sammensnevret utløpspassasje i munnstykket. Hvis passasjen har et mindre tverrsnitt enn én fri lysbue med samme- strømstyrke vil lys-

buen gå sammen med gasstrømmen og det vil da fra munnstykket komme ut en i det vesentlige homogen plasmastråle med meget høy varmeinten-sitet, og den vil avgi meget konsentrert varme i det område der lysbuen skal bearbeide arbeidsstykket. Den utstrømmende stråle har videre en meget høy grad av samling og aksial stabilitet med det resultat at den bibeholder sin aksialretning i forhold til munnstykket selv når munnstykket står skrått i en forholdsvis bred vinkel i forhold til arbeidsstykket.

Ved start av sammensnevrede likestrømlysbuer av den over-førte type har man tidligere kommersielt benyttet en høyfrekvent vekselstrøm i gapet mellom elektroden og munnstykket. Dette gap er forholdsvis smalt sammenliknet med avstanden mellom elektrode og arbeidsstykke. Den høyfrekvente høyspente lysbue benyttes til ioni-sering av gassen mellom elektrode og munnstykke for start av en styrelysbue mellom elektrode og munnstykke. Styrelysbuen vil på sin side ionisere gassen som strømmer mot arbeidsstykket og vil tenne hovedlysbuen mellom elektrode og arbeidsstykke.

I tillegg til de begrensede avstander man kan ha mellom lysbuebrenner og arbeidsstykke vil man også ha andre ulemper ved bruken av slike startinnretninger. Styrelysbuen drives i alminnelig-het fra hovedkraftkilden ved hjelp av en strømbegrensende motstand som er koplet i serie med brennermunnstykket og kraftkilden. Når hovedlysbuen tennes, blir styrelysbuen ikke slukket og en del av den energi som tilføres med strømmen vil gå gjennom styrelysbuekretsen. Dette strømforbruk utfører ikke noe nyttig arbeid i denne forbindelse og den strøm man har til rådighet for hovedlysbuen vil da bli redusert med den strømstyrke som flyter i styrelysbuekretsen. En annen ulempe ved slike systemer er at den strømbegrensende motstand må være stor og derfor kostbar for å kunne avgi den energi den jo skal forbruke. I tillegg til dette må den plaseres i et passende kammer eller liknende slik at den varme som avgis ikke skader andre komponenter i reguleringsanordningen.

Hovedhensikten med foreliggende oppfinnelse er derfor å komme frem til et apparat for bedre lysbuetenning ved arbeid med sammensnevrede likestrømlysbuer som er overført, hvorved man kan få en mer ensartet lysbuetenning ved lengre avstander mellom lysbuebrenner og arbeidsstykke enn det har vært mulig hittil ved start med styrelysbue. En annen hensikt er å eliminere den forholdsvis kostbare strømbegrensningsmotstand for styrelysbuen og kammeret eller rommet for denne motstand, og å tilveiebringe anordninger som automatisk bryter strømmen til styrelysbuen med en gang hovedlys-

buen er etablert.

Mer bestemt er oppfinnelsen rettet på et apparat for lysbuedrift med en lysbuebrenner, omfattende en hovedelektrode anbrakt i et gassmunnstykke som er isolert elektrisk fra elektroden og der en hovedkrets for lysbuen omfatter en strømkilde-for denne og er koplet over hovedelektroden og arbeidsstykket, .«amt startinnretninger omfattende en høyspenningskilde beregnet på å bli utkoplet når lysbuestrømmen flyter, det hele koplet i serie med hovedelektroden og munnstykket og dessuten en styrelysbuekrets omfattende impedans-innretninger koplet mellom arbeidsstykket og gassmunnstykket.

Oppfinnelsen angår således et apparat for lysbuedrift og omfattende en lysbuebrenner med en hovedelektrode anbrakt i et gassmunnstykke, en styrelysbuekrets for start av en styrelysbue mellom hovedelektroden og munnstykket, og en hovedlysbuekrets for start av en likestrømslysbue mellom hovedelektroden og arbeidsstykket gjennom den gasstrøm som er ionisert av styrelysbuen, hvilke styrelysbuekrets omfatter en serieforbindelse mellom gassmunnstykket og arbeidsstykket, og den er i det vesentlige kjennetegnet ved at seriefor-bindelsen omfatter en stor kondensator og en lekkasjemotstand i parallell med kondensatoren.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli nærmere forklart under henvisning til tegningen som viser koplingsskjerna for et apparat til utførelse av arbeid med overført sammensnevret lysbue, med oppfinnelsen anvendt til tenning av lysbuen.

Kretsen på tegningen omfatter egentlig to kretser. For det første har man en krafttilførselskrets for hovedlysbuen og styrelysbuen, innbefattende en likestrømkilde S, høyfrekvensgenerator H, brenneren G med en hovedelektrode E og gassmunnstykke N, samt arbeidsstykke W og en likestrømstyrelysbuekrets med endeklemmer T,T og til-hørende kabler. For det annet har man én styrekrets som innbefatter en 115 volts vekselstrømkilde 8,8, startbryter 10, sekundærkohtakt-orer 12, styrelysbuerelé 15» strømrelé- 18 og tilhørende elektriske ledninger. Tidligere ble en stillbar strømbegrensende motstand koplet over klemmene T,T.

Tenning av lysbuen med en slik stillbar motstand (ikke vist) foregikk ved at den som betjener apparatet slår startbryteren 10 på. Dette fører 115 volt vekselstrøm til spolen 11 for sekundærkontaktoren 12 og slutter kontaktene 13• Samtidig settes høyfrekvensgenera-toren H i drift ved hjelp av de normalt sluttede kontakter 14 på styreiysbuens relé 15.

Høyfrekvensgeneratoren H frembringer en høyfrekvent veksel-strøm;-som flyter gjennom kretsen som er dannet av kraftkabelen 16, elektroden E, brennermunnstykket N, styreiysbuens strømbegrensnings-motstand (ikke vist) og kraftkablene 17 og 24« Høyfreicvensstrømmen slår over gapet mellom elektroden E og mynnstykket N ,og tenner den høyfrekvente vekselstrømbue over dette gap. Høyfrekvenslysbuen slår ikke over fra elektroden til arbeidsstykket W fordi dette gap er betydelig større enn gapet mellom elektroden E og munnstykket N. Høyfrékvensbuen i brennermunnstykket ioniserer den gass som drives ut fra: munnstykket og setter krafttilførselen i stand, til'å danne en styrelysbue mellom elektroden E og munnstykket N. Energi til sveisingen flyter fra kraftkilden S gjennom kraftkabelen 20, de nu sluttede kontakter 13 i sekundærkontaktoren 12, høyfrekvensgenera-toren ;H, kraftkabelen 16, elektroden E, brennermunnstykket N og en motstand for styrelysbuen mellom klemmene T,T og tilbake til kraftkilden S gjennom kraftkabelene 17 og 21. •

Strømmen som flyter gjennom styreiysbuens krets vil således være begrenset til en strøm av en.størrelsesorden på I5 amp..avhengig av innstillingen av den stillbare motstand i kretsen, Styreiysbuens strøm gjennom kraftkabelen 16 er tilstrekkelig til å påvirke strømreleet l8 slik at dette vil slutte sine kontakter 19. Når kontaktene':'!^ "slutter , får spolen 22 i styrelysbuereleet; 15 strøm fra 'Vékselstrømkilden med en spenning på 115 volt. Kontaktene 14 i styrelysbuereleet 15 blir.åpnet slik at høyfrekvensgeneratoren H koples ut. Den høyfrekvente strøm gjennom styreiysbuens krets vil dermed opphøre.

Når brenneren plaseres over arbeidsstykket tilstrekkelig nær dette til at den ioniserte styrelysbue.utstrømning kan slå over til arbeidsstykket, vil lysbuen automatisk bli overført til arbeidsstykket W slik at man etablerer en hovedlysbue med det strømforbruk som er innstilt på kraftkilden S. Lysbuens energi flyter da fra kraftkilden S gjennom kraftkabelen 20, de sluttede kontakter 13 på kontaktoren 12, høyfrekvensgeneratoren H, lederen 16, elektroden E, lysbuen A, arbeidsstykket W, kraftkabelen 23, høyfrekvensgeneratoren H og kraftkabelen 24. Samtidig er imidlertid en parallellkrets dannet ved hjelp av styreiysbuens strømbegrensende motstand til jordsiden

av kraftkilden.

Det skulle dermed være klart at en del av den tilførte kraft fortsetter å flyte gjennom styreiysbuens krets og derved redusere den energi man har tilgjengelig for hovedlysbuen A. En annen ulempe ved dette tidligere kjente system som er beskrevet ovenfor, skyldes at hovedlysbuen bare kan etableres ved avstander mellom arbeidsstykket og brennermunnstykket på opptil 9»5 Tam' For å kunne øke avstanden mellom arbeidsstykket og brenner ved start vil det være nødvendig å øke strømmen i styreiysbuens krets ved å redusere verdien av den stillbare motstand. I praksis kan dette ikke gjøres fordi høyere styrelysbuestrøm vil føre til skader på brennerens munnstykke N. Munnstykket N virker enten som anode eller katode for styrelysbuen avhengig av polariteten av tilkoplingen til kraftkilden S. Høyere styrelysbuestrømmer vil føre til erosjon av munnstykket ved det punkt der lysbuen står.

Ved'foreliggende oppfinnelse er disse ulemper opphevet og en hovedlysbué kan startes med en avstand mellom munnstykke og arbeidsstykke på opptil 3>8 cm ved anvendelse av den krets s6m er vist på tegningen. Kretsen er praktisk talt identisk med den tidligere kjente bortsett fra at styreiysbuens strømbegrensende motstand er erstattet av en kondensator-motstandskrets mellom klemmene. T,T, omfattende en kondensator C og en motstand B. Styrekretsen virker ; på samme måtes som beskrevet ovenfor.

Når étartbryteren 10 betjenes, føres det strøm til s.ékundær-kontaktoren 1£ og høyfrekvensgeneratoren H. Kontaktene 13 på ..sekundærkontaktoren 12 slutter og en høyfrekvent vekselstrømlysbue dannes i gapet mellom .elektroden E og munnstykket N ved hjelp av kretsen som omfatter høyfrekvensgeneratoren H, kraftkabelen 16, elektroden E, munnstykket My kondensatoren C og kraftkabler 17 og 24• Høyfrekvens-lysbuen skaper en ionisert bane mellom elektroden E og munnstykket N. Hvis kondensatoren C er i én utladet tilstand vil den virke som en kortslutning (lav impedans). Med en gang.vil da likestrømkilden S etablere en styrelysbue med full strøm langs den ioniserte bane mellom elektroden E og munnstykket N. Etterhvert som styreiysbuens strøm fortsetter å flyte blir kondensatoren ladet og den vil.etterhvert utgjøre en stadig økende impedans i styreiysbuens krets.

Til slutt blir kondensatoren C ladet så meget at styreiysbuens strøm faller til null. Under oppladningsperioden for kondensatoren består styrelysbuen mellom elektroden E og munnstykket N. Til ,å begynne med er styreiysbuens strøm av en styrke som omtrent svarer til den som er innstilt på strømkilden for lysbuearbeidet. Deretter faller strømstyrken til null på grunn av den økende ladning av kondensatoren C. Styrelysbuen,som momentant kan ha en høy strøm,frembringer derved en puls av ionisert gass som drives ut fra munnstykket N. Når munnstykket holdes eller plaseres slik i forhold til arbeidsstykket at en ionisert bane rekker frem mellom elektroden E og arbeidsstykket W, vil hovedlysbuen A overføres til arbeidsstykket hvis spenningen mellom elektroden E og arbeidsstykket W er tilstrekkelig til å underholde lysbuen.

Samtidig med at styrelysbuen dannes tilføres strømreleet

l8 energi på grunn av strømmen som flyter gjennom kraftkabelen 16. Strømrelékontaktene 19 slutter og kopler en 115 volts vekselsstrøm-kilde til spolen 22 for styreiysbuens relé 15- Styreiysbuens relé-kontakter 14 bryter og derved koples høyfrekvensgeneratoren H ut.

Motstanden B er innbefattet i en parallellkrets i forhold til kondensatoren B og har en motstandsverdi som er tilstrekkelig til at den virker som en utladningsmotstand. Utladningsmotstanden B benyttes til tømning av ladningen fra kondensatoren slik at denne nu er klar for påfølgende starter.

Hvis hovedlysbuen av en eller annen" grunn ikke slår over til arbeidsstykket når den momentane styrelysbue etableres vil styrelysbuen slukke etterhvert som ladningen i kondensatoren C bygges opp. Denne syklus vil imidlertid gjenta seg selv inntil hovedlysbuen A dannes under forutsetning av at startbryteren 10 står på. Når styreiysbuens strøm slutter å flyte, kopler strømreleet 18 ut og kontaktene 19 åpner. Dette bryter vekselstrømmen på 115 volt gjennom spolen 22 i styreiysbuens relé 15 og kontaktene 14 slutter slik at høyfre-kvensenheten H settes igang. En.høyfrekvens vekselstrømlysbue blir igjen dannet mellom elektroden E og munnstykket N. Så snart som utladningsmotstanden B har utladet tilstrekkelig av ladningen fra kondensatoren C vil kraftkilden S automatisk reetablere den momentane styrelysbue mellom elektroden E og munnstykket N. Forholdet mellom kapasiteten og motstandsverdien for kondensatoren E og motstanden B bestemmer utladningshastigheten for kondensatoren og dermed også gjentagelseshastigheten for styrelysbuen som bestemmes av kondensator ladningen .

1 De verdier av kapasiteten og motstandsverdien i styrelys-buens kondensatorkrets som er nødvendige for start av lysbuen, av-

henger delvis av kraftkildens spenning uten belastning og avstanden man har mellom munnstykket og arbeidsstykket. For de fleste anvend-elser benyttes likestrømskilder med en spenning på 120 volt uten belastning, og en kapasitet på fra 1000 til 6000 mikrofarad har da' vist seg tilfredsstillende. Når det anvendes betydelig høyere spen-ninger kan man klare seg med noe mindre verdier på kapasiteten. Hvis det anvendes en for lav kapasitet vil styrelysbuen ikke ha tilstrekkelig kraft til å etablere hovedlysbuen. Er kapasiteten for høy vil det oppstå skade på brennerens munnstykke på grunn av at styrelysbuen da varer for lenge. Utladningsmotstanden B må ha en verdi som i det minste er høy nok til at en sammenhengende styrelysbue ikke kan opprettholdes. Fra et praktisk synspunkt er det umulig å opprettholde en styrelysbue ved mindre enn 2 amp. siden gasstrømmen gjennom munnstykket ville slukke en slik lysbue. Når man arbeider med sammensnevrede lysbuer, vil derfor den minste motstandsverdi utladningsmotstanden B må ha kunne uttrykkes slik:

Hvis f.eks. kraftkilden har en spenning på 110 volt uten belastning vil en utladningsmotstand B på 55 ohm eller mer være tilstrekkelig til å opprettholde styrelysbuen, mens hovedlysbuen er i drift. Utladningsmotstanden B fører ikke noen særlig strøm på noe tidspunkt under start eller normal drift.

Systemet med kondensatorutladning er blitt prøvet i en installasjon for lysbuesveising med sammensnevret overført lysbue. Kraftkilden var en kommersielt tilgjengelig vanlig likeretteranord-ning med en spenning på 78 volt uten belastning. Larvesveiser ble utført på en flate av rustfritt stål, 4>8 mm tykk, med rett polaritet (negativ elektrode og positivt >■• arbeidsstykke). Styreiysbuens krets innbefattet en kondensator på 6000 mikrofarad i parallell med en 50 ohms utladningsmotstand. Sveisebrenneren hadde en wolframelektrode med en diameter på 3,2 mm og et 2 i» innhold av toriumoksyd, samt et vannkjølt kobbermunnstykke med en 3,2 mm åpning hvis halslengde var 2,4 fflffl» Enden av elektroden var trukket 4 n™ tilbake fra endeflaten av munnstykket. En argonstrøm på 0,16 m^/time ble ført giennom brennermunnstykket og i tillegg ble en hjelpestrøm på 1,13 m-Vtime drevet rundt lysbuesonen for å beskytte arbeidsstykket. Sveiseforholdene for denne anvendelse var slik:

Mens avstanden mellom munnstykke og arbeidsstykke ble bi-beholdt ved 8 mm for at man skulle få en sveis av den best mulige kvalitet ble prøver foretatt under disse forhold for å bestemme den størst mulige avstand ved hvilken man kunne være sikker på riktig start av hovedlysbuen. Det viste seg at helt pålitelig start av lysbuen kunne oppnås med avstander mellom arbeidsstykket og munnstykket på opp til 3»2 cm. I andre prøver viste det seg imidlertid at selv 10 cm kunne tillates.

Ytterligere prøver er også blitt utført med systemet i henhold til oppfinnelsen for å demonstrere dets anvendelighet for start av sammensnevrede lysbuer. I metallskjæring f.eks. ble systemet benyttet for start av en overført sammensnevret lysbue med kraftkilder som hadde en spenning på omtrent 440 volt uten belastning og med gasstrømmer opp til 5»66 m-Vtime gjennom brennermunnstykket. I dette tilfelle ble en kondensator på 2000 mikrofarad benyttet. Sikker start ble oppnådd i alle tilfelle.

Det foretrukne system i henhold til oppfinnelsen har vist seg å by på betydningsfulle nye og uventede fordeler sammenliknet med tidligere kjente startanordninger for overførte sammensnevrede like-strømslysbuer. Disse fordelene innbefatter: 1. Vesentlig økt intensitet i styrelysbuen på grunn av at kondensatorkretsens impedans til å begynne med er lav. Dette gir sikker start ved munnstykke-arbeidsstykkeavstander opp til fire ganger større enn de man kan ha i de tidligere kjente systemer. 2. - Utnyttelse av full kraftutgang fra kraftkildene for ■ hovedlysbuen på grunn av de selvslukkende egenskaper styrelysbuen har i forbindelse med kondensatorladning. 3. Eliminasjon av varmetap som skyldes bruken av en strøm-begrensende motstand for styrelysbuen. 4. Reduksjon av størrelse, vekt og omkostninger for kompo-nentene som skal drive styrelysbuen. 5.. Forbedret pålitelighet når det gjelder start av hovedlysbuen. 6. I tillegg til de ovennevnte fordeler sammenliknet med -„ idligere kjente startanordninger har foreliggende oppfinnelse vist seg særlig hensiktsmessig for start med store gasstrømmer, som f. e.<s. ved metallskjæring med sammensnevrede lysbuer og for arbeid med sammensnevrede lysbuer med likestrøm og motsatt polaritet (med arbeidsstykke som katode og elektroden som anode). For å starte en likestrømsbue må styrelysbuen nødvendigvis alltid formes mellom elektroder med samme polaritet som hovedlysbuen vil ha. Som man kjenner til er lysbuer med omvendt polaritet meget ustabile. Dette gjeller også styrelysbuer med motsatt polaritet,og slike styrelysbuer er vanskelig å opprettholde, og starten er meget usikker. Med systemet i henhold til oppfinnelsen krever start av en hovedlysbue med motsatt polaritet også en styrelysbue med motsatt polaritet. Styrelysbuen er imidlertid momentan og er meget stabil på grunn av den høye startstrøm denne har. Startingen med kondensatorladning har således vist seg a være en pålitelig anordning ioc start av overførte sammensnevrede lysbuer med motsatt polaritet.

Claims (2)

1. Apparat for lysbuedrift, omfattende en lysbuebrenner med en hovedelektrode anbrakt i et gassmunnstykke, en styrelysbuekrets for start av en styrelysbue mellom hovedelektroden og munnstykket, og en hovedlysbuekrets for start av en likestrømslysbue mellom hovedelektroden og arbeidsstykket gjennom den gasstrøm som er ionisert av styrelysbuen, hvilken styrelysbuekrets omfatter en serieforbini-else mellom gassmunnstykket og arbeidsstykket, karakterisert ved at serieforbind-lsen omfatter en stor kondensator (C) og en lekkasjemotstand (B) : parallell med kondensatoren.

2. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert v e d at kondensatoren har en kapasitet i området fra 1000-6000 mikrofarad og at den nevnte motstand har en ;;otstandsverdi i ohm som numerisk sett ikke er lavere enn halvparten av den spenning i volt lysbuens arbeidsstrømkilde har uten belastning.