DE3150510A1

DE3150510A1 - Schweissverfahren und schweissvorrichtung

Info

Publication number: DE3150510A1
Application number: DE19813150510
Authority: DE
Inventors: Gordon Leslie Bredenkamp
Original assignee: Anglo American Corp of South Africa Ltd
Current assignee: Anglo American Corp of South Africa Ltd
Priority date: 1980-12-22
Filing date: 1981-12-21
Publication date: 1982-08-19
Also published as: IE813017L; AU7872281A; AU545973B2; BR8108299A; SE461137B; IT1145471B; GB2090705A; SE8107685L; FR2496521A1; GB2090705B; IE52343B1; FR2496521B1; CH656083A5; US4453073A; CA1170316A; IT8149967A0; IL64622A0; IL64622A

Description

Schweißverfahren und Schweißvorrichtung

Die Erfindung betrifft elektrische Schweißverfahren und Schweißvorrichtungen.

Bogenschweißvorrichtungen sind für industriellen und häuslichen Gebrauch bekannt. Derartige Geräte werden von einer Einphasen-oder einer Dreiphasen-Stromversorgung mit Leistung versorgt, oder mit Hilfe eines Generators oder einer Gleichspannungsquelle. üblicherweise ist es erforderlich, die Versorgungsspannung auf eine für Schweißanwendungen geeignete Höhe zu transformieren.

Die zu diesem Zweck verwendeten Schweißtransformatoren sind groß und schwer und müssen entweder mit Wicklungsanzap-fungen oder mit einem Kern mit veränderbarer Reaktanz versehen werden, um einen Bereich möglicher Schweißströme vorzusehen.

Derartige Schweißvorrichtungen sind beispielsweise aus den US-PS 3 211 953, 3 231 -lii^A J^i J$5 > 3 51 8^401 , 3 .818 J77 , 4 038 515, 4 047 096^ und 4 117 303 bekannt.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schweißvorrichtung zu schaffen, deren Masse wesentlich niedriger ist als die Masse einer entsprechenden von einer herkömmlichen Netzversorgung betriebenen Schweißvorrichtung, und deren Dimensionen wesentlich kleiner sind als die Dimensionen herkömmlicher Schweißvorrichtungen· ·

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Schweißvorrichtung vor, die erfindungsgemäß eine Invertereinrichtung mit einer Ausgangsfrequenz oberhalb des Hörfrequenzbereiches und einen Transformator aufweist, der eine mitten-angezapfte mit der Invertereinrichtung verbundene Primärwicklung und eine Sekundärwicklung mit Ausgangsanschlüssen zur elektrischen Verbindung mit einer Elektrode und einem zu schweißenden Werkstück aufweist.

Die Ausgangsfrequenz des Inverters ist. daher mi,ndjes^tens,.„3^_ KHz und vorzugsweise im Bereich von etwa 15 KKz Jbi§ etwa 20 KHz. Die genannten oberen Frequenzgrenzen sind unter dem Gesichtspunkt der Leistungsschaltung leicht beherrschbar und liegen jenseits des Hörfrequenzbereiches. Wenn jedoch geeignete Schaltelemente zum Einbau in die Invertereinrichtung verfügbar werden, wird es auch möglich sein, bei Frequenzen beachtlich oberhalb von 20 KHz zu arbeiten, z.B. in der Größenordnung von 100 KHz oder mehr. Arbeitsfrequenzen dieser Größenordnung sollen in den Bereich der Erfindung fallen.

_D_ie_Iη νejr tejre i η rieht u η g kann im wesentlichen, ei η f r e i 1 a u fender;JTyjL sei η und es können vorzugsweise Rückkopplungseinrichtungen zur Steuerung des Betriebes der Invertereinrichtung mit Hilfe eines von dem Transformator abgeleiteten Signals verwendet werden.

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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Invertereinrichtung mindestens zwei Transistoren, die abwechselnd angeschaltet werden, während die Rückkopplungseinrichtung mindestens eine induktiv mit dem Transformator gekoppelte Wicklung aufweist, die den an den Transistoren anliegenden Basisstrom beeinflußt.

Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Erzeugen einer Quelle von Schweißstrom, bei dem eine elektrische Gleichstromquelle abwechsend mit einem ersten Anschluß und einer Mittelanzapfung bzw. mit einem zweiten Anschluß und einer Mittelanzapfung einer mitten-angezapften Primärwicklung eines Transformators mit einer Frequenz oberhalb von 3 KHz verbunden wird, bei dem die Verbindungen mit Hilfe eines von dem Transformator abgeleiteten Rückkopplungssignals gesteuert werden und eine zweite Wicklung des Transformators mit einer Elektrode und einem zu schweißenden Werkstück verbunden wird.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung und

Fig. 2 eine Schaltung der Inverter- und Steuerschaltungen, wie sie bei der Schweißvorrichtung nach der Erfindung verwendet werden.

Fig. 1 stellt in der Form eines Blockdiagramms das bei der Schweißvorrichtung gemäß der Erfindung verwendete Prinzip dar. Fig. 1 zeigt eine WechselspannungsqueiIe 10, die mit

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einem Gleichrichter 12 verbunden ist. Der Gleichspannungsausgang des Gleichrichters 12 wird an einen selbstschwingenden Inverter 14 angelegt. Der Inverter 14 besitzt ein Ausgangssignal oberhalb des Hörfrequenzbereiches, typischerweise in dem Bereich von etwa 15 bis 20 KHz, die wesentlich höher liegt als die übliche Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz. Das Ausgangssignal des Inverters 14 wird an einen Hochfrequenztransformator 16 angelegt. Ein Ausgangsanschluß des Transformators ist mit einer Schweißelektrode 18 verbunden, während der andere Ausgangsanschluß des Transformators mit einem Werkstück 20, das geschweißt werden soll, verbunden ist.

Das Hauptziel der Erfindung liegt darin, eine Schweißvorrichtung verringerter Masse und Größe zu schaffen, und dies wird dadurch erreicht, daß bei vergleichsweise hohen Frequenzen gearbeitet wird, was umgekehrt eine entsprechende Verringerung der Transformatorgröße erlaubt. Der Transformator verwendet keine herkömmlichen geschichteten Metallkerne, sondern beruht auf der Verwendung eines weichmagnetischen Ferritkernes. Diese Material ist für Hochfrequenzanwendungen besonders gut geeignet, da es einen sehr hohen spezifischen Widerstand besitzt, mit dem Ergebnis, daß Wirbelströme praktisch vernachlässigt werden können. Der Transformator ist mit entsprechenden Primär/ Sekundärableitwiderständen entworfen, so daß, wenn seine Anschlüsse kurzgeschlossen werden, jeder Stromanstieg in dem Inverter in kontrollierter Art stattfindet und daher ein Schaden für den Inverter vermieden wird.

Fig. 2 zeigt die Schaltung der Schweißvorrichtung im einzelnen. Es wird an diesem Punkt darauf hingewiesen, daß die Schaltung des Gleichrichters 12 im wesentlichen bekannt ist und daher in Fig. 2 nicht näher erläutert wird. Fig. 2 zeigt

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daher im wesentlichen nur den Inverter 14 und den Transformator 16. Der Inverter verwendet zwei Transistorschalter, von denen jeder mindestens einen Transistor 22 bzw. 24 enthält, um das Gleichspannungsausgangssignal, siehe V in Fig. 2_;des Gleichrichters 12 abwechselnd zwischen einen ersten Anschluß 26 und eine Mittelanzapfung 28 einer Primärwicklung 30 des Transformators .16 bzw. einem zweiten Anschluß 32 und der Mittelanzapfung 28 der Primärwicklung anzuschließen. Verbunden mit dem Kollektor jedes Transistors sind Reaktanz-Dämpfungsglieder, die allgemein mit dem Bezugszeichen 34 und 36 versehen sind. Jedes Dämpfungsglied besteht aus einer Kapazität 38, Dioden 40 bzw. 42 und einer Induktanz 44. Netzwerke_£6__und__48 sind zwischen der Basis und dem Kollektor jedes der beiden Transistoren 22 bzw. 24 eingeschaltet. Jedes Netzwerk ist dazu bestimmt, wenn dies nötig ist, die Transistoren schnell auszuschalten, und besteht aus einer Diode 50, einem F_el_deffekttransisjtcn·^ 52 und einer Kapazität 54 in Serienschaltung mit einem Widerstand 56 und einer parallel geschalteten Zener-Diode

58. Eine Basiswicklung 60 ist induktiv an den Transformator 16 angekoppelt. Die Wicklung 60 ist mit der Basis jedes der Transistoren 22 und 24 über eine jeweilige Diode 62 und eine Parallelschaltung eines Widerstandej^J>4 und einer Kapazität 66 verbunden. Dioden 68 bzw. 70 auf jeder Seite der Basiswicklung 60 sind über einen Widerstand 72 mit Masse verbunden. Freilaufende Dioden 74 bzw. 76 sind antiparallel zu den Transistoren 22 bzw. 24 über die entsprechenden Kollektoren und Emitter geschaltet. Ein Schalter ist zwischen der Gleichspannungsversorgungsspannung und einem Punkt 80 zwischen der Baisiswicklung 60 und dem Transistor 22 eingeschaltet. Es muß vermerkt werden, daß der Inverter 14 freiläuft und daß es neben den Transistoren 52

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keine aktiven Komponenten in seinen Steuerschaltungen gibt. Dies vereinfacht die Konstruktion der Schweißvorrichtung, da nur geringe Anforderungen bei Hilfsleistungsversorgungen erfüllt werden müssen. Andererseits hat dies zur Folge, daß die Schwingfrequenz des Inverters belastungsabhängig ist und daß, wenn ein Bogen während des Schweißens quer zu den Ausgangsanschlüssen der Sekundärwicklung des Transformators 82 in Fig. 1, gebildet ist, die Ausgangsfrequenz sich ändert. Allgemein kann gesagt werden, daß der Inverter bei einer charakteristischen Frequenz schwingt, die abhängig von der Primärspannung, der Anzahl der Windungen der Primärwicklung, dem wirksamen Querschnittsbereich des Weichferritkernes und der Sättigungsflußdichte des Kernes ist.

Schwingungen werden ausgelöst, indem der Schalter 78 vor-

übergehend geschlossen wird. Dies treibt die Basisspannung des Transistors 22 nach oben und der Kollektorstrom des Transistors nimmt zu. Der sich daraus ergebende Stromfluß in der linken Hälfte der Primärwicklung 30 induziert ein Signal in der Basiswicklung 60, die dann Basisstrom an den

Transistor 22 anlegt. Der Fluß in dem Transformatorkern

vergrößert sich, wenn die volle Spannung an den Anschlüssen 26 und 28 anliegt. Wenn der maximale Kollektorstrom erreicht ist, bevor der Kern gesättigt ist, steigt die Kollektor/Emitterspannung des Transistors 22 ebenfalls an. Wenn sie einen Maximalwert erreicht, dreht sich die Polarität der Spannung an der Basiswicklung 60 um und der Transistor 24 wird angeschaltet. Seine Kollektor-Emitter-Spannung nimmt ab, bis die Diode 76 leitend wird und einen Weg für den Kollektorstrom des Transistors 22 an Erde schafft. Zu diesem Zeitpunkt ist die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 22 zweimal V. Der Transistor 24 leitet dann und der Vorgang fährt in der beschriebenen Art fort.

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Die Schaltgeschwindigkeit der Transistoren 22 und 24 ist derart entworfen, daß sie im Bereich von etwa 15 bis 20 KHz liegt. Bei dieser Frequenz sind die magnetischen Komponenten so klein wie es praktisch möglich ist, und die Schaltung zum Schalten der Schweißströme an der Primärseite des Transformators ist beherrschbar und.wirtschaftlich. Dies führt zu einer beachtlichen Reduzierung der Abmessungen und Masse der Schweißvorrichtung nach der Erfindung, im Vergleich zu ähnlichen Maßnahmen für eine herkömmliche Schweißvorrichtung, die mit Netzfrequenz arbeitet. Beispielsweise besitzt eine in Obereinstimmung mit den Prinzipien der Erfindung konstruierte Schweißvorrichtung eine Abgabeleistung von bis zu 5 kW und eine Masse von nur 5 kg. Die Schwingfrequenz des Inverters, die wie schon erwähnt belastungsabhängig ist, variiert bei diesem Beispiel von 10 bis etwa 20 KHz. Das von der Schweißvorrichtung benötigte Volumen ist 220 χ 150 χ 150 mm.

Der Transformator ist mit einer Primär/Sekundärableitreaktanz eines geeigneten Wertes entworfen, die die Wahrscheinlichkeit eines Schadens an der Schweißvorrichtung, wenn die Sä<undärwicklung kurzgeschlossen ist, möglichst klein hält. In Fig. 1 kann gesehen werden, daß die Primärwicklung 30 und die Sekundärwicklung 82 an entgegengesetzten Schenkeln eines rechteckigen Weichferritkernes 84 angeordnet sind. Die gesamte Ableitreaktanz ist gleich der Summe der sich aus dem Abstand zwischen "den Windungen der Wicklungen ergebenden Ableitreaktanz und der aufgrund des Abstandes zwischen den Wicklungen bestehenden Ableitreaktanz. Die letztere Komponente ist durch Verändern der Abmessungen des Transformatorkernes vorbestimmt und gewählt.

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Wie bereits erwähnt, werden Reaktanzdämpfungsglieder 34 und 36 verwendet, um zu verhindern, daß die Transistoren während des Schaltens zu hohen Antriebsspitzen ausgesetzt werden, d.h. um dv/dt zu begrenzen. Der Vorteil dieser Art von Dämpfungsglied gegenüber den RC-Dämpfungsgliedern ist die höhere Wirksamkeit der ersteren. Da der Inverter bei Ultraschallfrequenzen arbeitet ,·sind RC-Dämpfungsglieder von sich aus ineffizient und führen zu hohen Energieverlusten. Die Reaktanz-Dämpfungsglieder 34 und 36 sind regenerativ und bringen den Energieüberschuß der Versorgung V zurück. Die Basisströme der Transistoren werden von der in der Basiswicklung 60 induzierten Spannung geliefert. Es ist bekannt, daß die Abschaltzeit der Transistoren eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Schaltverluste spielt, so daß es infolge dessen wünschenswert ist, die Abfallzeit der Kollektorströme möglichst klein zu halten. Wenn jeder Transistor angeschaltet wird, wird er in den Sättigungsbereich getrieben und die Schaltungen 46 und 48 sind entworfen, abzufühlen, wann die entsprechenden Transistoren aus dem Sattigungsbereich herauskommen, und zu diesem Zeitpunkt eine negatives Potential an die Basis des entsprechenden Transtistors anzulegen, um dessen Abfallzeit zu verkürzen. Wenn beispielsweise beim Transistor 22 die Kollektor-Emitter-Spannung anzusteigen beginnt, fließt ein Strom durch die Kapazität 54 und blockiert die Gate/Source-Spannung des Transistors 52 bei der Zenerspannung der Diode 58. Der Transistor 52 wird angeschaltet und legt ein mit seiner Source verbundenes negatives Potential an die Basis des Transistors 22. Dies führt zu einer drastischen Verringerung der Abfallzeit des Transistors. Die negative Source-Spannung wird leicht mit Hilfe einer einfachen mitten-angezapften Hilfswicklung abgeleitet, die an den Transformator 16 angekoppelt ist.

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Es können selbstverständlich andere Schaltungen vorgeschlagen werden, um entsprechende Betriebsfrequenzen für den Hochfrequenztransformator 16 zur Verfügung zu stellen. Jedoch besitzt die Verwendung eines freilaufenden Inverters der beschriebenen Art den besonderen Vorteil der Einfachheit und Wirtschaftlichkeit. Die sich ergebende Schweißvorrichtung ist, wie bereits erwähnt, kompakt und besitzt ein nur geringes Gewicht. Der tatsächliche Schweißstromausgang des Transformators 16 wird leicht durch Verändern der an die Transistoren 22 und 24 angelegten Basisströme gesteuert. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Werte der Widerstände 64 und/oder 72 eingestellt werden. So können Schweißströme von beispielsweise 40, 60, 80 und 100 A leicht ausgewählt werden, indem beispielsweise ein Schalter betätigt wird, der den Wert eines oder mehrerer dieser Widerstände in einer vorbestimmten und entsprechenden Art verändert.

Die Schweißvorrichtung arbeitet bei Frequenzen, die oberhalb des Hörfrequenzbereiches liegen, üblicherweise im Ultraschallbereich. Daher ist eine akustische Umweltverschmutzung vermieden. Mit der oben erwähnten Schweißvorrichtung wurden durch die Schweißschaltung keine hörbaren Geräusche von Bedeutung erzeugt.

Claims

Ansprüche

Verfahren zum Erzeugen einer Schweißstromquelle, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd eine elektrische Gleichstromquelle (V) mit einem ersten Anschluß (26) und einem Mittelanschluß (28) bzw. mit einem zweiten Anschluß (32) und dem Mittelanschluß (28) einer mittenangezapften Primärwicklung (30) eines Transformators mit einer Frequenz oberhalb von 3 KHz verbunden wird, daß die Verbindungen mit Hilfe eines von dem Transformator abgeleiteten Rückkopplungssignal gesteuert werden und daß eine Sekundärwicklung (82) des Transformators mit einer Elektrode (18) und einem zu schweißenden Werkstück (20) verbunden wird.

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2. Schweißvorrichtung, dadurch qekennzeichnet, daß sie eine Invertereinrichtung (I4) mit einer Ausgangsfrequenz oberhalb des Hörfrequenzbereiches und einen Transformator mit einer mit der Invertereinrichtung (I4) verbundenen mitten-angezapften Primärwicklung (30) und einer Sekundärwicklung (82) mit Ausgangsanschlüssen zur elektrischen Verbindung mit einer Elektrode (18) und einem zu schweißenden Werkstück (20) aufweist.
3. Schweißvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsfrequenz der Invertereinrichtung (14) oberhalb von 3 KHz liegt.
4. Schweißvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsfrequenz der Invertereinrichtung (14) oberhalb von 15 KHz liegt.
5. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Rückkopplungseinrichtung (60) zur Steuerung des Betriebes der Invertereinrichtung (14) mit einem von dem Transformator abgeleiteten Signal aufweist.
6. Schweißvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,.daß die Invertereinrichtung (14) mindestens zwei Transistoren (22, 24) und die Rückkopplungseinrichtung (60) mindestens eine Wicklung (60) aufweist, die induktiv mit dem Transformator gekoppelt ist und den an den Transistoren (22, 24) anliegenden Basisstrom beeinflußt.
7. Schweißvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Transformator mit einer mitten-angezapften Primärwicklung (30) und einer Sekundärwicklung (82) mit Ausgangsklemmen zur elektrischen Verbindung mit einer Elektrode (18) und

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einem zu schweißenden Werkstück (20), eine Invertereinrichtung (14), einen mit der Invertereinrichtung (14) verbundene Gleichstromleistungsquelle (V) sowie eine induktiv mit dem Transformator gekoppelte Rückkopplungseinrichtung (60) zur Steuerung des- Betriebes der Invertereinrichtung (14) aufweist, deren Ausgangssignal bei einer Frequenz von oberhalb 3 KHz liegt und an die Primärwicklung (30) des Transformators angelegt wird.
8. Schweißvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Invertereinrichtung (14) mindestens zwei abwechselnd angeschaltete und gesättigte Transistoren (22, 24), deren Basisströme von der Rückkopplungseinrichtung (60) abhängig sind, sowie Einrichtungen (46, 48) zum Anlegen eines geeigneten Signals an die Basis jedes Transistors (22, 24) zur Verringerung von dessen Abfallzeit aufweist, wenn der jeweilige Transistor (22, 24) aus dem Sättigungsbereich herausgelangt.
9. Schweißvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator einen magnetischen Ferritkern (84) aufweist ,wobei seine Primär- und Sekundärwicklungen (30, 82) auf entgegengesetzten Schenkeln des Kerns angeordnet sind.