DE2703127B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Abbrennstumpfschweißen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Abbrennstumpfschweißvcrfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim bekannten Abbrennstumpfschweißverfahren werden die stumpf miteinander zu verbindenden Werkstücke in eine Abbrennstumpfschweiß-Vorrichtung eingespannt und zunächst mit geringer Kraft zusammengebracht, so daß sie sich nur an kleinen Flächenteilen berühren. Infolge der hohen Stromdichte werden diese Stellen sehr schnell erwärmt Es entstehen Strombrücken aus flüssigem Metall, die unter Voraussetzung einer ausreichend hohen Spannung (:1m folgenden Abbrennspannung genannt) unter Funkenbildung (Abschaltfeuer) zerstört und aus der Stoßfuge herausgeschleudert werden. Als Stromquelle verwendet man dabei normalerweise einen einphasigen Transformator, der primärseitig an eine einen sinusförmigen Wechselstrom der übrigen Frequenz liefernde Wechselstromquelle angeschlossen ist Falls bei Verwendung dieser Wechselstromquelle die Abbrennspannung zu niedrig gewählt wird und eine Strombrücke nahe dem Spannungsnulldurchgang (schraffierter Bereich in Fig. 1) gebildet wird, fließt infolge der geringen Spannung nur ein begrenzter Strom durch die Strombrücke, die deshalb zunächst bestehen bleibt und erst beim folgenden Spannungsanstieg schmilzt, ohne daß dabei jedoch der erwünschte Funken- oder Abbrennvorgang auftritt; denn es wird während dienes Spannungsanstiegs der Abstand zwischen den Werkstücken durch Bewegung der beweglichen Elektrode verringert, wodurch die wirksame Fläche, über die Strom zwischen den zu verschweißenden Flächen der Werkstücke fließt, zunimmt, ohne daß jedoch die Stromdichte ansteigt. Demzufolge wird die Strombrtlikke nicht in einem für das Abbrennen erforderlichen Maß erhitzt

Es ist demzufolge notwendig, eine entsprechend hohe Spannung anzulegen. Wenn die Spannung hoch ist, kann ί aber ein derart heftiger Abbrennvorgang eintreten, daß unter Umständen die Qualität der Schweißstelle nachteilig beeinflußt wird. Es ist üblich, ein System mit veränderlicher Spannung einzusetzen, bei Cim die Spannung in der Anfangsstufe des Abbrennvorgangs

in erhöht wird und später abgesenkt wird. Bei üblichen Verfahren wird diese Steuerung der Spannung dadurch erzielt daß Anzapfungen der Primärwicklung des Schweißtransformators umgeschaltet werden oder daß ^ine Phasenanschnittsteuerung von Thyristoren einge-

r> setzt wird. Bei der ersteren Methode wird der Abbrennvorgang beim Schalten der Anzapfung unterbrochen. Bei der letzteren Methode ergeben sich die weiter unten beschriebenen Schwierigkeiten.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, zum

2(i Abbrennen anstelle einer Wechselspannung eine Gleichspannung zu verwenden. Wenn jedoch die Querschnittsfläche der Werkstücke groß und eine entsprechend starke Stromquelle erforderlich ist, kann deren Induktivität nicht mehr vernachlässigt werden.

j Denn es wird dann der Anstieg des Funkenstroms durch diese Unduktivität/merklich begrenzt und die Funktion der Abbrennstumpfschweiß-Vorrichtung verschlechtert
Es ist außerdem bereits vorgeschlagen worden, die

:ti Abbrennspannung durch Phasenanschnittsteuerung mit einem Thyristor etc. zu steuern, wenn eine Wechselstromquelle mit Sinuswellenform verwendet wird. F i g. 2 zeigt die Spannungswellenform in diesem Fall, wobei der Zeitraum, während dessen keine Spannung

!> anliegt (AB) verlängert ist was ungünstig ist Die Tatsache, daß die Qualität eines geschweißten Teiles durch die phasenanschnittsgesteuerte Spannung beim Abbrennschweißvorgang schlechter werden kann, ist offenbart im »Welding Journal«, Band 50, Nr. 5, 1971, Seiten 213a bis 221s, »Effect of phase control during flashing on flash weld defects«.

Bei den bekannten Abbrennstumpfschweiß-Verfahren treten demnach folgende Schwierigkeiten auf: Die Spannung muß relativ hoch sein, um den Abbrennvor-

■v") gang bei einer Wechselstromquelle mit Sinuswellenform aufrecht zu erhalten. Es muß eine entsprechend starke Stromquelle verwendet werden, um einen starken Abbrennvorgang zu bewirken. Bei Verwendung einer Phasenanschnittssteuerung entstehen zusätzlich

'>() noch SpannungslUcken. Der Anstieg des Funkenstroms ist durch die Wirkung der Induktivität des Gleichrichters begrenzt, wenn eine Gleichstromquelle, insbesondere eine mit großer Leistung, verwendet wird, so daß der Abbrennvorgang nicht in erwünschtem Maße

r> stattfindet

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abbrennstumpfschweiß-Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem ein möglichst gleichmäßiges und ununterbrochenes Abbrennen ge-

M) währleistet ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Maßnahme gelöst
Durch das erfindungsgemäße Abbrennstumpf-

(v'> schweiß-Verfahren wird eine Verbesserung der Qualität der geschweißten Teile und der Stabilität des Abbrennvorgangs erreicht, weil die Strombrücken durch die Speisung des Speistransformators mit der Rechteck-

spannung in kurzer Zeit unterbrochen werden, und zwar unabhängig vom Zeitpunkt, zu dem die Strombrücke auftritt Auf diese Weise kann auch mit zu einer hohen Qualität beitragenden, schwachen Funken gearbeitet werden. j

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Patentanspruch 1 mit Elektroden zur Zuführung des Stroms an die Werkstücke, welche mit der Sekundärseite des Speisetransformators verbunden sind, kann die Rechteckspannung mit Hilfe einer w Gleichstromquelle und eines Wechselrichters, welcher die Gleichspannung der Gleichstromquelle in eine Rechteckspannung umfcvmt, und dessen Ausgang mit der Primärseite des Schweißtransformators verbunden ist, erzeugt v/erden. Die Gleichstromquelle kann eine Batterie sein, sie kann aber auch eine Gleichrichterschaltuiig enthalten, die mit einem Thyristor etc. eine Wechselspannung einer Wechselstromquelle in eine Gleichspannung gleichrichtet Der Wechselrichter kann irgendeine Art eines Wechselrichters; zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung mit Rechteckwellenform sein. Eine für den Schweißvorgang optimal geeignete Rechteckwechselspannung läßt sich erzeugen durch Verwendung einer Gleichrichterschaltung als Gleichstromquelle mit steuerbarer Ausgangs- spannung und durch Verwendung eines Thyristorwechselrichters als Wechselrichter mit steuerbarer Ausgangsfrequenz.

Wenn eine externe Störung, wie eine Veränderung der Versorgmngsspannung, auftritt wird die Spannung abhängig von dieser Veränderung variiert, was einen nachteiligen Einfluß auf die Gleichförmigkeit des Schweißergebnisses hat Bei bekannten Verfahren wurde die Konstantspannungsregelung mittels einer Phasenanschnittssteuerung von Thyristoren durchge- r> führt, wodurch die oben erwähnten Schwierigkeiten bedingt waren.

Bei der Vorrichtung nach Patentanspruch 2 kann die Ausgangsspannung der Gleichstromquelle gesteuert werden, um dadurch die Eingangsspannung für den -10 Wechselrichter unabhängig von einer Veränderung der Versorgungsnpannung konstant zu halten, ohne daß jene Schwierigkeiten auftreten können.

Außerdem kann bei dieser Vorrichtung die Frequenz der an den Schweißtransformator angelegten Spannung <r> mit Hilfe des Wechselrichters leicht variiert werden, wodurch das Gewicht des Schweißtransformators durch Erhöhen der Frequenz verringert werden kann. Auch kann dann die für das Abbrennen günstigste Frequenz ausgewählt werden. >o

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Schweißspannungswellenform als einphasige Sinuswcchstlspannung, die bei bekannten Abbrennstumpfiichweiß-Vorrichtungen angewandt wird, v>

F i g. 2 eine Phasenanschnittssteuerungswellenform einer einphasigen Wechselspannung, die bei bekannten Abbrennsturripfschweiß- Vorrichtungen verwendet wird,

Fig.3 ein schematisches Schaltbild einer Abbrenn· mi stumpfschweiß-Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig.4 eine Rechteckwellenform, die bei dieser Vorrichtung verwendet wird, und

Fig.5 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer μ Einrichtung zur Erzeugung der Rechteckspannung von Fig. 3.

In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszei

chen identische oder entsprechende Teile.

F i g. 3 ist ein schematisches Schaltbild einer Ausfüh ■ rungsform der Abbrennstumpfschweiß-Vorrichtung. In Fig.3 bezeichnen die Bezugszahlen 1 und 2 Werkstükke, die nach dem erfindungsgemäßen Abbrennstumpfschweiß-Verfahren miteinander verschweißt werden sollen. 3 ist eine feste Elektrode zur Zuführung des Schweißstroms. Mit 4 ist eine bewegliche Elektrode zur Zuführung des Schweißstroms bezeichnet 5 ist ein Schweißtransformator, der die Rechteckspannung transformiert so daß sich eine niedrige Spannung bei großem Strom ergibt, wie dies für den Abbrennstumpfschweiß-Vorgang erforderlich ist Mit 6 ist ein Wechselrichter bezeichnet, der einen Thyristor besitzt und dazu dient einen Leistungseingangsgleichstrom in eine Ausgangsspannung mit Rechteckwellenform umzuwandeln. Mit 7 ist ein Leistungswandier bezeichnet der dazu dient den Leistungseingangswechselstrom in Gleichstrom konstanter Spannung umzusetzen (im folgenden als Gleichstromquelle bezeichnet). 8 ist ein Leistungstransformator.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Werkstücke 1 und 2 zwischen die Elektroden 3 und 4 gesetzt Die vom Wechselrichter 6, von der Gleichstromquelle 7 und dem Leistungstransformator 8 erzeugte Rechteckspannung wird über den Schweißtransformator 5 an die Elektroden 3,4 angelegt

Wenn die bewegliche Elektrode 4 unter dieser Voraussetzung in Richtung auf die feste Elektrode 3 bewegt wird, bewirken die vorstehenden Teile der einander zugewandten Schweißflächen der Werkstücke 1 und 2 Strombrücken (Kurzschlüsse), so daß der Strom an diesen Stellen konzentriert fließt und das Metall an den Strombrückenteilen durch Joule'sche Wärme erhitzt wird, um es zu schmelzen und abzubrennen.

Bei der vorliegenden Erfindung wird als Wellenform der Schweißspannung die in Fig.4 gezeigte Wellenform verwendet wobei die Spannung F20 ständig zwischen den Elektroden anliegt Obwohl Strombrükken zwischen den Werkstücken zu jedem beliebigen Zeitpunkt erzeugt werden, ist es deshalb leicht, diese Strombrücken in kurzer Zeit zu unterbrechen und einen Abbrennvorgang mit Funkenbildung hervorzurufen.

Das Unterbrechen der Strombrücken in dieser kurzen Zeit führt jeweils zur Bildung eines dünnen Funkens, und zwar wegen der geringen Wegstrecke, über die die bewegliche Elektrode 4 in dieser Zeit bewegt wird, um den Anstieg der wirksamen Fläche der Strombrücke zu verhindern.

Fig.5 zeigt eine Ausführungsform des Schaltungskreises zur Erzeugung der Rechteckspannung, die beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird.

In F i g. 5 sind 601 bis 604 Hauptthyristoren. 605 bis 608 sind Kommutierungs-Hilfsthyristoren. 609 bis 612 sind Kommutieruiigskondensatoren. 613 bis 614 sind Kommutierungs-Hilfsstromquellen. 615 und 616 bezeichnen Kommutierungsspulen, während 617 bis 620 Rückkopplungsdioden sind. 621 ist eine Thyristor-Steuereinheit, 622 eine Impulsintervallsteuereinrichtung und 623 ein Frequenzsteller, 701 bis 706 sind Gleichrichterthyristoren. 707 ist eine Glätti'ngddrosselspule, 708 ein Glättungskondensator, 709 ein Gleich Spannungsdetektor, 710 ein Vergleichsverstärker, 711 eine Thyristor-Sterereinheit und 712 ein Gleichspannungssteller.

Der Wechselrichter 6 und die Gleichstromquelle 7 haben den oben erwähnten Aufbau. Die Dreiphasen-Wechselspannung vom Transformator 8 wird an die

Eingangsanschlüsse a, b und c der Gleichstromquelle 7 angelegt. Die Dreiphasen-Wechselspannung an den Anschlüssen a, b und c wird im Dreiphasen-Doppelweggleichrichter mit den Gleichrichter-Thyristoren 701 bis 706 gleichgerichtet und von der Glättungsdrossel 707 und dem Glättungskondensator 708 geglättet und dann in den Wechselrichter 6 eingegeben. Im Zustand der anliegenden Gleichspannung steuert die Thyristor-Steuereinheit 621 abwechseln die Zündung jedes Paares von Hauptthyristoren 601 und 604 oder 602 und 603 der Hauptthyristoren 601 bis 604, wodurch an die Anschlüsse / und e die Rechteckwechselspannung angelegt werden kann.

Die an die Anschlüsse t/und e angelegte Gleichspannung wird vom Gleichspannungsdetektor 709 erfaßt, mit dem am Gleichspannungssteller 712 eingestellten Wert verglichen und vom Vergleichsverstärker 710 verstärkt. Über die Thyristor-Steuereinheit 711 werden die Zündphasen der Gleichrichterthyristoren 701 bis 706 von der verstärkten Spannung gesteuert. Demzufolge kann die Ausgangsspannung der Gleichstromquelle 7 je nach Wunsch kontinuierlich mittels des Steuersignals vom Gleichspannungssteller 712 geändert werden.

Es soll nun ein Kommutierungsvorgang im Wechselrichter 6 erläutert werden.

Wenn der Hauptthyristor 601 durchgeschaltet ist, und über den Anschluß g Laststrom fließt, werden die Kommutierungskondensatoren 609, 611 mit der in Fig.5 gezeigten Polarität aufgeladen. Wenn der Hilfsthyristor 605 gezündet wird, um den Hauptthyristor 601 zu löschen, heben die Ladungen des Kommutie-

■) rungskondensators 609 den Laststrom auf und werden über den Stromkreis 605-616-617-609 entladen. Der Kommutierungskondensator 609 wird durch die Resonanz des Kommutierungskondensators 611 und der Kommutierungsspule 615 mit entgegengesetzter Polari-

ii, tat aufgeladen Diese Ladungen werden zum Löschen des nächsten Hauptthyristors 603 verwendet. Wenn die Umladungen beendet sind, wird der Hilfsthyristor 605 augenblicklich gelöscht. Wenn der Hauptthyristor 601 gelöscht wird, wird der Hauptthyristor 603 zur

ι". Vollendung der Kommutierung gezündet.

Wie aus der voranstehenden Beschreibung hervorgeht, hängt die Breite der Rechteckwellenform, die an den Ausgangsanschiussen f, g des Wechselrichters 6 auftritt, vom Abstand zwischen dem Zündimpuls und

.'Ii dem Löschimpuls des Hauptthyristors 601 ab. Demzufolge kann die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 6 durch Steuerung der Zündimpulsintervalle für die Hauptthyristoren 601 bis 604 und die Hilfsthyristoren 605 bis 608 mittels des Frequenzstellers 623, der

j, Impulsintervallsteuereinrichtung 622 und der Thyristor-Steuereinheit 621 je nach Wunsch gesteuert werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Abbrennstumpfschweiß-Verfahren, bei dem der Strom der Schweißstelle von der Sekundärseite eines Schweißtransformators geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, daß an die Primärseite des Schweißtransformators (5) eine Spannung mit einer Rechteckwellenform oder einer rechteckähnlichen Wellenform angelegt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit Elektroden zur Zuführung des Stroms an die Werkstücke, welche mit der Sekundärseite eines Schweißtransformators verbunden sind, gekennzeichnet durch eine Gleichstromquelle (7) und einen Wechselrichter (6), der die Gleichspannung der Gleichstromquelle in eine Rechteckwechselspannung umformt und dessen Ausgang mit der Primärseite des Schweißtransformators (5) verbunden ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquelle (7) einen an eine Wechselstromquelle angeschlossenen Gleichrichter (701 bis 706) enthält

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter (701 bis 706) 2ur Änderung seiner Ausgangsgleichsspannung steuerbar ist

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die Frequenz der vom Wechselrichter (6) gelieferten Rechteckwechselspannung veränderbar ist