DE1565493A1

DE1565493A1 - Lichtbogenschweissgeraet

Info

Publication number: DE1565493A1
Application number: DE19661565493
Authority: DE
Inventors: Hodder Harold F
Original assignee: Dynatech Corp
Current assignee: Dynatech Corp
Priority date: 1966-03-21
Filing date: 1966-04-14
Publication date: 1970-02-12
Also published as: US3471678A

Description

Firma DYNATECH CORPORATION, I7, Tudor Street, Cambridge, Massachusetts, V. St. A.

Lichtbogenschweißgerät

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Lichtbogenschweißgeräte, bei denen die zu verschweißenden Werkstücke dem Schweißgerät zugeführt werden, und die Schweissung so durchgeführt wird, daß ein Lichtbogen auf die Werkstücke übergeht.

Allgemein gesagt betrifft die Erfindung ein Schutzgas-Lichtbogenschweißgerät, das ein Gehäuse aufweist, das mit einem Werkstückhalter-Kontaktelement versehen ist, in welchem sioh eine Arbeitselektrode und elektrische Schaltkreiselemente zwischen dem Werkstückhalter-Kontaktelement und der Arbeltselektrode zur Erzeugung des Stromes und der

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T«l*grammadratMi Pot.n».nlor

Spannung, die für den Lichtbogen zwischen Arbeitselektrode und Werkstück nötig sind, befinden. Dieses erfindungsgemässe Gerät ist so aufgebaut, daß zahlreiche verschiedene Werkstücke, z. B. die Drähte eines Thermoelements, eingesetzt und die gewünschte Verbindung hergestellt werden kann. In diesem Gerät werden auch automatisch die Werkstücke bezüglich der Arbeitselektrode in eine günstige Lage für die Erzeugung eines Lichtbogens gerückt, so daß die Schweißung durch Betätigung eines einfachen Schalters eingeleitet werden kann.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zur Zündung des Lichtbogens eine Zündelektrode vorgesehen. Diese Zündelektrode steht anfänglich mit der Arbeitselektrode in Berührung, und es sind Vorrichtungen, wie etwa Elektromagnete, vorgesehen, um die Zündelektrode von der Arbeitselektrode abzurücken, so daß sich zwischen den beiden Elektroden ein kurzer Lichtbogen aufbaut. Der Schutzgasstrom entlang der Arbeitselektrode auf die Werkstücke überträgt dann den Bogen auch von der Zündelektrode auf die Werkstücke, um die gewünschte Lichtbogenschweißung durchzuführen. Durch diesen Aufbau ist eine einwandfreie Lichtbogenzündung gesichert, ohne daß das Werkstück mit der Arbeitselektrode in

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Berührung gebracht werden muß. Zugleich vermeidet diese Anordnung die Verwendung hoher Spannungen oder hoher Frequenzen zur Zündung des Lichtbogens.

Entsprechend 'einem anderen Erfindungsmerkmal wird die Bewegung der Zündelektrode durch die im Lichtbogen-Stromkreis liegende Zündelektroden-Magnetspule und eine vorgespannte Feder so gesteuert, daß die Zündelektrode sich an die Arbeitselektrode anlegt., wenn zwischen diesen beiden kein Lichtbogen besteht. Dieser Aufbau sichert die Lichtbogenzündung und verhindert die Entstehung ungewollter Spannungsentladungen. Wenn die Zündelektrode von der Arbeitselektrode abgezogen wird und sich dabei kein Lichtbogen bildet, fällt die Zündelektrode auf die Arbeitselektrode zurück und schwingt solange gegen die Arbeitselektrode, bis der Bogen aufgebaut ist. Außerdem sorgt die auf die Arbeitselektrode am Ende der Schweißung zurückkehrende Zündelektrode für die Ableitung jedweder La^dungsreste von der Arbeitselektrode, wodurch die mit dem Gerät arbeitenden Personen vor Hochspannungsschlägen geschützt sind.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein

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besonders gleichmäßiger Lichtbogen dann erzeugt, wenn der Schutzgasstrom entlang der Arbeitselektrode und ausserdem auch bei Annäherung an das Werkstück in bestimmter Weise begrenzt wird. Gemäß diesem Merkmal der Erfindung ist der Lichtbogenstromkreis so aufgebaut, daß Strom- und Spannungsentladungen zwischen den Elektroden nur während des letzten Zeltabschnittes des Bestehens des Schutzgasstromes auftreten können, wodurch das Schutzgas von der Schweißelektrode Rückstände und dergleichen entfernt, bevor der Lichtbogen einsetzt, so daß eine saubere Schweißung gewährleistet ist.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung an hand der Zeichnung, in der zeigen:

Pig. 1 eine perspektivische Ansicht des Gerätes nach der Erfindung, wobei der Werkstückhalter aus seiner Arbeltsstellung herausgezogen ist,

Pig. 2 eine Ansicht von oben des teilweise aufgebrochenen, arbeitsbereiten Gerätes,

Fig. 3 eine Seitenansicht nach der Linie 3-3 in Fig. 2,

Flg. 4 das Schaltbild des Lichtbogenschweißgerätes und

Fig. 5 eine mit dem Gerät nach der Erfindung durchgeführte Verschweißung von zwei Drähten.

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Da die Erfindung im wesentlichen auf Schutzgasschweißgeräte bezogen ist, die einen Lichtbogen erzeugen und erhalten und mit diesem die Schweißung durchführen, ist sie besonders auf Bauformen abgestellt, bei denen die Werkstücke in der Schweißstellung in einem Werkstückhalter gehalten werden. Wenn die Erfindung auch für die Schweißung beliebig geformter Teile angewendet werden kann, ist sie besonders auf das Verschweißen von Drähten von Thermoelementen abgestellt, weshalb die Beschreibung an einem der-' artigen Gerät vorgenommen wird.

In Fig. 1 ist ein Therraoelement-Lichtbogenschweißgerät dargestellt, das aus einem Hauptteil A besteht, in dem sich die wesentlichen Teile des Schweißgerätes befinden, und aus einem in den Hauptteil A einsetzbaren Werkstückhalter B, in dem die Werkstücke C (Fig. 3) in ihrer zu versehweissenden Stellung gehalten werden.

Der Hauptteil A besteht aus einem Gehäuse 11, das eine Frontplatte 12 hat, die von der Schweißkopfanordnung 15 durchbrochen wird. Außerdem sitzt in der Frontplatte ein Hauptschalter 14, mit dem die Stromzuführung von einer gewt5tali°- chen Wechselstromsteckdoese aus- und eingeschaltet werdea kann und eine Kontrollampe 15, die weiß aufleuchtet, wann

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das Gerät eingeschaltet ist. Im oberen Teil der Frontplatte sitzen zwei Druckknopfschalter 16 und 17. Der Schalter 16 betätigt nur das Einlaß-Ventil zur Schutzgaszufuhr, etwa Argon, um die Gasleitungen füllen zu können, wenn das Gerät neu an die Gasleitungen angeschlossen wird. Der Schalter steuert den gesamten Schweißvorgang, wozu auch das Betätigen des Schutzgasventils gehört, was später noch beschrieben wird. Auf der Frontplatte befindet sich außerdem noch eine beispielsweise rote Lichtbogenkontrollampe 18, die aufleuchtet, wenn der Lichtbogen brennt, und ein Sicherungseehalter 19 für die Netzsicherung.

Der Werkstückhalter 5 besteht aus einem unteren und einem oberen Halterschenkel 21, 22, die an ihren Vorderenden untere und obere Werkstückklammern 23 und 24 aus elektrisch leitendem Material, wie Kupfer, aufweisen und zwischen denen die Werkstücke C beim Schweißen gehalten werden. Um die Werkstücke zu halten, sind die Halterschenkel 21 und um einen Stift schwenkbar und von einer hinter dem Stift angebrachten (nicht gezeigten) Feder derart federbelastet, daß die Schenkel 23 und 24 einen Klammerdruck ausüben. Der untere Halterschenkel 22 ist auf einem Handgriff 26 befestigt, und der Werkstückhalter B kann zum Einsetzen des Werkstückes C

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leicht mit einer Hand bedient werden, indem der Handgriff

26 mit den Fingern einer Hand umschlossen und das Hinterende des oberen Halterschenkels 22 auf seiner Oberseite

27 zum öffnen der Klammersehenkel 23 und 24 nach unten gedrückt wird.

Anhand der Fig. 2 und 3 soll die Schweißkopfanordnung 13 genauer beschrieben werden. Eine Isolierstoff hülse 32, z. B. aus einer Phenolmasse, mit stufenweise abgesetztem Innendurchmesser, erstreckt sich im Innern des Gehäuses 11 und durch eine Öffnung J51 in der Frontplatte 12 und wird durch einen Flansch 33 an ihrem Vorderende und einen Gewindering 34, der an der GehäuseInnenseite auf äussere Gewindegänge der Hülse aufgeschraubt wird, gehalten.

Im Abschnitt der Hülse 32 mit dem geringsten Durchmesser ist ein hohler, metallischer Elektrodenhalter 35* ζ· Β. aus Messing, angebracht, der eine nach vorn vorspringende, eingezogene Mantelhülle 36 trägt. Eine Arbeitselektrode 37 aus z. B-. Wolfram mit spitz auslaufendem Ende 38 wird in der Bohrung des Elektrodenhalters 35 in einer geschlitzten Spannhülse 39 aus z. B. Messing gehalten, die von vorn in die Bohrung des Elektrodenhalters 35 innerhalb der Hülle

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eingeschraubt ist. Der Elektrodenhalter 35 wird in der Isolierhülse 32 durch einen Gasanschluß 41 gehalten, der an eine Gasleitung 42 angeschlossen ist, durch die das Schutzgas, z. B. Argon, in die Bohrung des Elektrodenhalters 35> entlang der Arbeitselektrode 37 innerhalb der Hülle 36 und durch die Öffnung an der Vorderseite der Hülle 36 nahe der Spitze 38 der Arbeitselektrode strömen kann. Ein Teil dieses Schutzgases strömt von der Arbeitselektrode 37 nach vorn um und hinter das Werkstück C, während ein anderer Teil radial aus der Isolierhülse 32 durch radiale Gasausdtrömöffnungen 43 austritt. Es hat sich gezeigt, daß diese Strömungsanordnung dazu beiträgt, einen ruhigen Lichtbogen zu erzeugen.

In einer weiteren,radialen Öffnung 44 in der Hülse 32 ist eine Zündelektrode 45 angebracht, die durch einen Elektromagne ten 46 gehalten und von einer Stellung, in der sie mit dem Vorderende 38 der Arbeitselektrode 37 in Berührung ist, in radialer Richtung von dieser entfernt werden kann. Der Elektromagnet 46 ist mit einem Winkel 47 an der Isolierstoffhülse 32 befestigt. Diese Zündelektrode 45 wird von einer Feder 48 gegen die Wirkungsrichtung des Elektromagneten gedrückt, so daß sie die Arbeitselektrode 37 vor und nach jedem Schweißvorgang berührt, wie später noch genauer beschrie-

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ben wird.

Eine metallene Werkstückhalter-Kontakttulpe 51* die an ihrem Boden mit einer öffnung 52 versehen ist, um das Werkstück C der Arbeitselektrode 37 gegenüber stellen zu können, ist in der vordersten Bohrungsstufe der Isolierstoffhülse 32 befestigt. Diese Kontakttulpe ist mit einer nach innen konisch zulaufenden Bohrung 53 versehen, so daß der Werkstückhalter B darin zentriert wird, und trägt auf ihrer Vorderseite einen Schutzisolierung 5^· als Berührungsschutz für das Bedienungspersonal des Schweißgerätes. Die Kontakttulpe 51 ist mit der Isolierstoffhülse 32 fest verbunden und zur elektrischen Verbindung mit den übrigen Teilen des Schweiß-Schaltkreises mit einer Schraube 55 (Pig· 2) versehen, die als Anschlußkontakt für einen Zuleitungsdraht (nicht gezeichnet) dient. Der Stromübergang zur Arbeitselektrode 37 geschieht Über die Spannhülse 39 und den Elektrodenhalter 35 von einem Zuführdraht (nicht gezeichnet), der an einer Schraube am hinteren Ende des Elektrodenhalters angebracht ist. Weitere Schaltkreiselemente sind in Fig. 2 dargestellt und im einzelnen im Schaltbild der Pig. 4 gezeigt.

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Pig. 4 stellt das Schaltbild einer typischen Ausführungsform der Erfindung dar, wobei die Spannung von einer gewöhnlichen Wechselspannungsquelle durch die Zuleitungen 61 und 62 zugeführt wird und das Gehäuse 11 durch die Erdleitung 6? geerdet ist. In den Zug der Leitung 62 ist der Hauptschalter 14 und die Sicherung 19¹ eingebaut, so daß beim Schließen des Schalters 14 der Kontrollampe über die Leitung 64 dem Druckknopfschalter 17 und über die Leitung 65 dem Füllventil-Druckknopfschalter 16 Spannung zugeführt wird. Um zum Pullen der Schutzgasleitungen nur den PUllkreis zu betätigen, wird der zweipolige Druckknopf-Umschalter 16 für das Füllventil geschlossen, so daß der Strom über den Schalterpol l6^f und die Leitung 66 auf die Spule 67 gelangt, die ein Ventil in der Schutzgasleitung öffnet. Solange der Druckknopfschalter 16 gedrückt bleibt, strömt das Gas durch die Gasleitung; der offene Schalterpol 16'' des Schalters 16 verhindert jedoch, daß der Lichtbogen brennt.

Um den Schweißschaltkreis einzuschalten, wird der einpolige Schweißdrucktaster 17 gedrückt, so daß der Stromkreis von der Zuleitung 62 über die Leitungen 64, ¹Jl und 72, den Schalterpol 16", die Leitung 75 und über ein Zeitrelais

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bis zur zweiten Zuleitung 61 geschlossen ist. Das Zeitrelais 74 schließt einen Schalter 74' (der Leitung 71 mit Leitung 75 verbindet) und über den Schalterpol 76' eines in Ruhestellung geschlossenen Zeitrelais 76, die Leitung 77 und das Relais 78 den Stromkreis bis zur Zuleitung Relais 78 steuert einen zweipoligen Einschalter 79* mit dessen Hilfe über den Schalterpol 79' der Argon-Steuermagnetspule 67 Spannung zugeführt wird, während über den zweiten Schalterpol 79'' Spannung von der Zuleitung 62 sowohl auf die Leitung 8l und die Primärwicklung 82 des Transformators 85 als auch auf die Lichtbogenkontrollampe 18 gegeben wird.

Die Sekundärwicklung 84 des Transformators 83 liegt an einer Gleichrichterbrücke 85, deren einer Ausgang mit der Würkstückhalter-Kontakttulpe 51 und dem Werkstück C verbunden ist, von dem aus die Rückleitung zum zweiten Ausgang des Gleichrichters 85 über den Lichtbogen auf die Arbeitselektrode 57 führt, dann über eine Zündspule 86 und Strombegrenzungswiderstände 87 und 88. Zwischen die Ausgänge der Gleich-

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richterbrücke ist ein SlLtarkondensator geschaltet. Die Zündelektroden-Magnetspule 46 und das Zeitrelais 76, das mit einem Widerstand 90 in Reihe geschaltet ist, liegen an

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den Klemmen des Widerstandes 87. Um den Bogen zu zünden, ist die Zündelektrode 45 über den Widerstand 45* mit der Kontakttulpe 5I verbunden.

Um die Schweißung bei in die Kontakttulpe 51 eingesetztem Werkstückhalter in Gang zu bringen, wird zunächst der Schalter 17 gedrückt und Schutzgas zugeführt. Nach einer bestimmten Zeitspanne (Einleitungszeit), etwa zwei Sekunden, wird über das Zeitrelais 74 der Lastschalter 79 geschlossen. Während der Einleitungszeit wird Schutzgas die Arbeiteelektrode entlang geleitet, um die Lichtbogenkammer zu spülen und für die Zündung des Bogens vorzubereiten.

Wird dann der Lastschalter geschlossen, wird den Elektroden über den Transformator Spannung zugeführt. Daraufhin zieht die Magnetspule 46 die Zündelektrode 45 von der Arbeitselektrode JJ ab und erzeugt einen Lichtbogen, zunächst zwischen der Arbeitselektrode JJ und der Zündelektrode 45 und dann zwischen der Arbeitselektrode JJ und dem Werkstück C im Werkstückhalter. Nach einer Zeitspanne von etwa einer halben Sekunde öffnet das Zeitrelais J6 die Zuleitung zur Schützenspule 78 des Schalters 79* womit der

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Lichtbogen erlischt. Wegen der Vorspannung der Feder 48 an der Zündelektrode 45 wird die Zündelektrode 45 wieder in Anlage an die Arbeitselektrode 35 gebracht, wodurch der Kondensator 89 sich entladen kann und bei Herausnahme des Werkstückhalters aus dem Schweißeinsatzkopf keine Gefahr für die Bedienungsperson besteht, daß sie einen Schlag vom Ende der Arbeitselektrode 37 bekommt.

Bildet sich beim ZUndvorgang durch das Abziehen der Zündelektrode 45 von der Arbeitselektrode 37 kein Lichtbogen aus, fällt die Zündelektrode 45 wegen ihrer Federspannung auf die Arbeitselektrode 37 zurück und führt gegen die Arbeitselektrode solange eine Zitterbewegung aus, bis ein Lichtbogen gezogen ist. Bei Entstehen eines Lichtbogens leuchtet die Lampe 18 auf.

Der Schweißlichtbogen zwischen Arbeitselektrode 37 und Werkstück C entsteht . durch übertragen des ZUndbogens zwischen Zündelektrode und Arbeltselektrode. Der Schutzgasstrom, der (siehe Flg. 3) nach links strömt, lenkt den ursprünglichen Bogen so ab, daß ein Teil des Bogens die Werkstücke C berührt. Da die Werkstücke und die Arbeitselektrode 37 verschiedene Polarität haben (siehe Fig. 4), entsteht infolge der GasfttKsströmung ein Lichtbogen zwischen diesen

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beiden Teilen, nämlich der eigentliche Schweißlichtbogen. Der Widerstand 45* begrenzt die Stärke des ZUndbogens und verlängert damit die Lebensdauer der Zündelektrode 45. Da dieser Widerstand jedoch nicht mit dem Werkstück C in Reihe liegt, ist der Schweißlichtbogen stärker, so daß ein schnelles, vollständiges Verschweißen der Werkstücke gewährleistet ist. Der Spannungsabfall am Widerstand 45' erleichtert überdies den übergang vom Zündbogen zum Schweißlichtbogen.

Wenn der Schweißlichtbogen auf diese besondere Art erzeugt wird, so w-ird eine Verschmutzung der Werkstücke vermieden, was bei einer Berührung mit der Arbeitselektrode 37 eintreten könnte, wenn der Lichtbogen durch direkte Berührung erzeugt würde. Dies ist bei der Herstellung von Thermoelement-Lötsteilen von besonderer Bedeutung. Das Schutzgas verhindert außerdem die Verunreinigung durch die Bestandteile der normalen Atmosphäre, z. B. durch Sauerstoff.

Die Schutzgasmenge kann in weitem Bereich verändert werden, um zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen. Z. B. werden bei einer öffnungsweite von etwa 4 mm Durchmesser der Hülle 36 und einer Durchflußmenge von etwa 225 1 pro Stunde oder mehr gute Ergebnisse erzielt; die Obergrenze liegt etwa bei 14O 1 in der Minute. Laminare Strömung ist unbedingt

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wünschenswert,, da wesentliche Turbulenz die örtliche Gasgeschwindigkeit im Bereich des Lichtbogens so weit herabsetzt, daß ihre Größe und Richtung für zuverlässige Arbeit nicht mehr ausreicht.

Pig. 5 zeigt die Schweißung W zwischen zwei Thermoelement-Drähten, die als Werkstück C im Werkstückhalter während eines Schweißvorgangs dargestellt sind. Die Größe des Lichtbogenschweißgerätes kann auch abgewandelt werden, um andere Schweißungen vornehmen zu können, während die Vorteile und Eigenschaften der Erfindung beibehalten werden.

Die folgende Tabelle gibt Einzelheiten eines in der Praxis ausgeführten Gerätes nach der Erfindung an.

	Wert	Tabelle I	Bezeichnung
Teil	50 Ohm 25 W	Hersteller
45	900 Ohm lOi'W
70			26N02T
74		Amperite	6C2T
76	80 V bei 5 A	Amperite
83			MDA 962-3
85		Motorola
86		Stancor	C-2685
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ORIGiNAL

Teil Wert Hersteller

87 und 10 Ohm

88 25 W einstellbar

89 1550^F, 150 V

90 7,5 Ohm, 25 W

Statt wie oben beschrieben einen besonderen Schweiß· auslöseschalter zu verwenden, kann auch ein Schalter innerhalb der Kontakttulpe vorgesehen sein, der durch das Einsetzen des Werkstückhalters betätigt wird.

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Claims

Τ56Ί5493 Patentansprüche

1. Verfahren zum Schmelzschweißen durch einen elektrischen Lichtbogen in Schutzgas, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen zwischen einer Schweißelektrode und einer Zündelektrode erzeugt und dann mittels eines Schutzgasstromes der Lichtbogenansatz an der Zündelektrode von dieser weg auf das Werkstück geblasen wird.

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zündelektrode (45), die sich bei abgeschaltetem Bogenstrom in elektrischer Berührung mit der Schweißelektrode (37) befindet und bei Einschalten des Stromes von dieser abziehbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Schaltkreiselemente zur Erzeugung eines Lichtbogens zwischen der Scrtfeißelektrode (37) und der Zündelektrode (45) beim Abheben der Zündelektrode von der Schweißelektrode und durch weitere Schaltkreiselemente (46), um die Zündelektrode (45) wiederholt mit der Schweißelektrode (37) in Berührung zu bringen, wenn zwischen Zündelektrode und Schweißelektrode beim ersten Abheben kein Lichtbogen ent-

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steht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder J>, gekennzeichnet durch Zeitschalter (76, 7^) zum Aufrechterhalten des Lichtbogens über eine bestimmte Zeitdauer und durch Rückstellelemente (48), welche die Zündelektrode (45) nach dieser Zeitdauer wieder mit der Schweißelektrode (37) in Berührung bringen.

5· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch Begrenzungselemente (36), die den Schutzgasstrom entlang eines Teils der Schweißelektrode (37) bis zu deren Ende (38) und darüber hinaus führen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine Steueranordnung (74, 76, 78), die den Schutzgasstrom über eine gewisse Zeitspanne aufrechterhälfe, und durch Schaltelemente (78), die das Einschalten des Bogenstroms gegenüber dem Beginn des Schutzgaszuflusses verzögern.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (11) mit einer öffnung (3I) zur

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Aufnahme eines Werkstiickhalters (B)/ eine in diese Öffnung (51) eingesetzte Werksttickhalter~Kon>takttulpe (51), eine Schweißelektrode (57), ein Isolierrohr (32) zum Anbringen der Schweißelektrode im Gehäuse nahe der öffnung und von der Kontakttulpe isoliert, wobei der Werkstückhalter (B) in die Kontakttulpe (51) einsetzbar ist, Schaltkreiselemente (83, 85) zwischen der Kontakttulpe und der Schweißelektrode zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der Schweißelektrode (37) ^und den Werkstücken (C) und durch eine Zündeinrichtung (45, 46).

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