DE2003515A1

DE2003515A1 - Anordnung zum Lichtbogenschweissen in einer Schutzgasstroemung

Info

Publication number: DE2003515A1
Application number: DE19702003515
Authority: DE
Inventors: Nahuijsen Bertus Leendert; Schmidt Johan Machiel
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-02-03
Filing date: 1970-01-27
Publication date: 1970-11-05
Also published as: BE745366A; GB1239186A; FR2033284B1; JPS491143B1; FR2033284A1; US3694619A; NL6901721A

Description

Anmelder: ^. γ. Philips' Glw3i!arrip3nfabrieken

Akte¹ Ό. PHN- 3722
Anmeldung vom: 23» Jan» 1970

N.Y. Philips¹ G-loeilamperifabrieken, Eindhoven, Holland

Anordnung zum Lichtbogenschweißen in einer ,Schutzgasströmung

Die Erfindung bezieht sieh auf eine Anordnung zum Lichtbogenschweißen in einer Schutzgasströmung, in der der Schweißbogen von einer zwischen einer Schweißelektrode und dem Werkstück auftretenden Hochfrequenzentladung gezündet und/oder stabilisiert wird, welche Anordnung eine Schweißstromquelle, eine Hochfrequenzspannungsquelle,- eine Schutzgasquelle und einen Schweißbrenner mit einem Halter für eine Schweißelektrode, einen rings um diese Elektrode mündenden Kanal für die Schutzgasströmung und eine Vorrichtung zum Ionisieren des durch diesen Kanal herausströmenden Schutzgases enthält.

Derartige Anlagen sind u.a. aus der deutschen Patentschrift 1 131 342 und der britischen Patentschrift 695 077 bekannt.

Die Erfindung bezweckt, eine Verbesserung der Anpassung der Hochfrequenzspannungsquelle an die Hochfrequenzentladung und eine Vereinfachung der Bauart des Schweißbrenners zu schaffen.

Zu diesem Zweck ist die Anlage nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sie enthält: ein erstes koaxiales. Kabel mit einer Länge gleich einer Viertelwellenlänge der Hochfrequenzspannung, das einen ersten Leiter, dessen Enden an die Schweißelektrode bzw. an eine Klemme der Schweiß-, stromquelle angeschlossen sind, und einen zweiten an eine

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Klemme der Hochfrequenzspannungsquelle angeschlossenen Leiter aufweist, und ein zweites koaxiales Kabel mit einem Innenleiter, dessen Enden an die andere Klemme der Hochfrequenzspannungsquelle bzw. an einen Punkt des ersten Leiters in der Nähe des von der Schweißelektrode abgekehrten Endes dieses Leiters angeschlossen sind, und mit einem Außenleiter, der mit dem zweiten Leiter und mit der zuerst erwähnten Klemme der Hochfrequenzspannungsquelle verbunden ist, wobei die Summe der Länge des zweiten koaxialen Kabels und der Länge des l'eiles des ersten koaxialen Kabels zwischen dem Anschlußpunkt dieses Kabels an das zweite koaxiale Kabel und der Schweißelektrode gleich einer halben Wellenlänge der Hochfrequenzspannung oder einem ganzen Vielfachen derselben ist.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung, und

Fig. 2 gleichfalls schematisch eine zweite Ausführungsform einer solchen Anordnung.

Sie Anordnung nach Fig. 1 eignet sich zum Lichtbogenschweißen in einer Schutzgasströmung, wobei der Schweißbogen von einer zwischen der Schweißelektrode 11 und dem Werkstück 3 auftretenden Hochfrequenzentladung gezündet und/oder stabilisiert wird, und wobei in der Nähe der Schweißelektrode 11 eine Hilfeentladung aufrechterhalten wird, wodurch das an der Schweißelektrode ausströmende Schutzgas ionisiert wird, so daß die zuerst erwähnte Hochfrequenzentladung sogar bei einem verhältnismäßig großen Abstand βwischen der Schweißelektrode 11 und dem Werkstück 3 und einer verhältnismäßig geringen HochfrequenzSpannung zündet.

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Die Anordnung enthält eine Schweißstromquelle in Form eines Metztransforeators 1 mit einer Sekundärwicklung 2, eine Hochfrequenzspannungsquelle in Form eines Hochfrequenztransformators 4 mit einer Sekundärwicklung 5» eine Schutzquelle, von der eine Zufuhrleitung 13 dargestellt ist, einen Halter 9 für die Schweißelektrode 11, einen rings um diese Elektrode mündenden Kanal 14 für die Schutzgas strömung und eine Vorrichtung zum Ionisieren des durch diesen Kanal herausströmenden Schutzgases.

Die letztere Vorrichtung enthält eine gegen einen von ihrem Ende entfernten Umfang der Schweißelektrode 11 gerichtete Hilfselektrode 15, die derart angeordnet ist, daß im Betrieb der Weg zwischen der Hilfselektrode 15 und dem erwähnten Umfang der Schweißelektrode 11 von der Schutzgasströmung durchflossen wird; ferner enthält diese Vorrichtung eine Hilfshochspannungsquelle 16, die mit der Hilfselektrode 15 über einen im Schweißbrenner angebrachten Reihenwiderstand 17 von z.B. 1 mft verbunden ist, der das Auftreten von Kippschwingungen verhindern soll. Die Hilfshochspannungsquelle 16 wird z.B. durch die Anodenspannungsquelle von z.B. +2 kV für die Endstufe der Hochfrequenzspannungsquelle gebildet.

Nach der vorliegenden Erfindung wird die Hochfrequenzspannungsquelle dadurch an die Hochfrequenzentladung angepaßt, daß die Anordnung enthält: ein erstes koaxiales Kabel 20, dessen Länge gleich einer Viertelwellenlänge (τλ) der Hochfrequenzspannung ist und das einen ersten Leiter 7, dessen Enden an die Schweißelektrode 11 bzw. an eine Klemme der Schweißstromquelle 1, 2 angeschlossen sind, und einen zweiten z.B. äußeren an eine Klemme der Hochfrequenzspannungsquelle angeschlossenen Leiter 8 aufweist, und ein zweites koaxiales Kabel 21 mit einem Innenleiter 23, dessen Enden an die andere (obere) Klemme der Hochfrequenzspannungsquelle 4, 5 bzw. an einen Funkt 24 des

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ersten Leiters 7 des ersten koaxialen Kabels 20 in der Nähe seines von der Schweißelektrode 11 abgekehrten Endes angeschlossen sind, und mit einem Außenleiter 22, der mit dem zweiten Leiter 8 und mit der zuerst erwähnten Klemme der Hochfrequenzspannungsquelle verbunden ist. Dabei ist die Länge des zweiten koaxialen Kabels 21 derart gewählt, daß die Summe der Länge dieses Kabels und der Länge des Teiles des ersten koaxialen Kabels 20 zwischen dem Anschlußpunkt 24 des Innenleiters 23 des zweiten koaxialen Kabels 21 an dieses erste koaxiale Kabel und der Schweißelektrode 11 gleich einer halben Wellenlänge (w λ) der Hochfrequenzspannung oder einem ganzen Vielfachen der-" selben (n ·*· λ) ist.

Im Betrieb wird die zwischen dem Punkt 24 des ersten Leiters 7 und dem zweiten Leiter 8 angelegte Hochfrequenzspannung von dem ersten koaxialen Kabel 20 mit einer Länge von 4· λ stark herauftransformiert, so daß die Hochfrequenzentladung zwischen der Schweißelektrode 11 und dem Werkstück 3 leicht und sofort von der Entladung zwischen der Hilfselektrode 15 und der Schweißelektrode 11 gezündet wird. Sobald die in der Schutzgasströmung auftretende Hochfrequenzentladung gezündet worden ist, bildet sie aber praktisch einen Kurzschluß am rechten Ende des koaxialen k Kabels 20 zwischen den Leitern 7 und 8. Sa die Länge des zweiten koaxialen Kabels 21 zusammen mit der Länge des Teiles des ersten koaxialen Kabels 20 zwischen dem Punkt 24 und der Schweißelektrode 11 gleich i λ oder 4- η λ ist, wirkt Jedoch die Quelle 4, 5 zusammen mit den Kabeln 20 und 21 als eine Stromquelle und liefert dann einen großen Hochfrequenzetrom, so daß der Schweißbogen sehr effektiv von der Entladung mit großem Hochfrequenzetrom gezündet und stabilisiert wird.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung der koaxialen Kabel 20 und 21 wird in dem Raum innerhalb des ersten Lei-

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ters 7 des Kabels 20 kein Hochfrequenzfeld erzeugt, so daß dieser Raum zum Zuführen von Schutzgas von der Zufuhrleitung 13 zu dem Kanal 14 (wie dargestellt), für eine Zirkulation von Kühlwasser zum Abkühlen des ersten Leiters 7, der den Schweißstrom von der Quelle 1, 2 zu der Schweißelektrode 11 führt, und auch zum Erhalten einer leitenden Verbindung zwischen der Hilfselektrode 15 und der Hilfshochspannungsquelle 16 verwendet werden kann. Dabei wird der τ λ-Ho^frequenztransformator von den Schutzgas- und/oder Kühlwasser- und Hilfshochspannungsleitungen und -anschlüssen nicht gedämpft, weil diese sich außerhalb des Hochfrequenzfeldes befinden und somit keine Hochfrequenzverluste herbeiführen können.

In der zweiten Ausführungsform nach Fig.- 2 besteht die Ionisationsvorrichtung aus einem in dem Raum zwischen dem Kanal 14 und der Schweißelektrode 11 angebrachten Heizdraht 25 und aus zwei leitenden Verbindungen zum Zuführen eines Erhitzungsstromes mittels dieses Heizdrahtes. Wie dargestellt ist, besteht jede dieser leitenden Verbindungen aus einem isolierten Draht 26 bzw. 27, welche Drähte teilweise in dem hohlen ersten Leiter 7 des ersten koaxialen Kabels 20 untergebracht und an eine Kontaktfeder 30 bzw. 31 angeschlossen sind. Die Kontaktfeder 30 gleitet über der Außenoberfläche eines Kupferrohres 28, das um das Ende des Kanals 14» aus einem isolierenden keramischen Material, gepreßt ist, während die Kontaktfeder 31 über der Innenoberfläche eines Kupferrohres 29 gleitet, das innerhalb dee gleichen Endes des Kanals 14 gepreßt ist. Der Heizdraht 25 ist koaxial mit der Schweißelektrode 11 gewickelt und seine Enden sind fest mit den Kupferrohren 28 bzw. 29 verbunden. Der Kanal 14 mit den Rohren 28 und 29 und mit dem Heizdraht 25 ist über einen Isolierring 34 aus keramischem Material gepreßt, der den Elektrodenhalter 9 umgibt.

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An dem von dem Schweißbrenner abgekehrten Ende des ersten koaxialen Kabels 20 sind die Leiter 26 und 27 durch die Wand der Schutzgaszufuhrleitung hindurchgeführt, und ihre Enden sind mit den Enden der Sekundärwicklung 32 eines zweiten Wetztransformators 33 verbunden. Durch diesen Transformator wird der Kreis des Heizdrahtes 25 gegen den Schweißkreis 3, 2, 7, 9, 11 gegen den Hochfrequenzentladungskreis 3, 18, 8, 7, 9, 11 und gegen den Hochfrequenzspeisekreis 22, 5, 23 isoliert.

Das erste koaxiale Kabel 20 kann durch Änderung der Kapazität zwischen den Leitern 7 und 8, z.B. durch Verschiebung eines den zweiten Leiter 8 umgebenden hUlsenförmigen Gliedes 8', genau auf eine Viertelwellenlänge abgestimmt werden, wobei die richtige Abstimmung durch eine maximale Länge des Hochfrequenzentladungsbogens angegeben wird.

Im Betrieb wird der Heizdraht 25 von dem ihm vom Transformator 33 her über die Leiter 26 und 27 zugeführten Netzfrequenzwechselstrom in der Schutzgasatmosphäre zum Glühen gebracht, so daß er thermisch emittiert. Das zwischen der Schweißelektrode 11 und dem Kanal 14 herausströmende Schutzgas wird von den vom Heizdraht 25 emittierten Elektronen ionisiert. Dies hat zur Folge, daß die vom ersten koaxialen Kabel 20 herauftransformierte Hochfrequenzspannung an der Schweißelektrode 11, sogar bei einem verhältnismäßig großen Abstand (von einigen cm) zwischen der Schweißelektrode 1 1 und dem Werkstück 3, die Zündung eines Hochfrequenzentladungsbogens herbeiführt. Der Hochfrequenzstrom in diesem Lichtbogen nimmt schnell auf einen Wert von einigen (z.B. 10) Amperes zu, wobei der eigentliche Niederfrequenz-Schweißbogen zündet.

In den beschriebenen Ausführungsformen bilden die koaxialen Kabel 20 und 21 einen Hochfrequenzspannungstransformator mit einem maximalen Sekundär-Kureschlußstrom. Dieser Trans-

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formator steigert in erheblichem Maße die Wirkung einer gegebenen Hochfrequenzspannungsquelle, so daß vorzügliche zuverlässige und regelmäßige Schweißergebnisse mit einer Hochfrequenzspannungsquelle mäßiger Leistung erzielt werden können: Er steigert den Gesamtnutzeffekt der Anlage bei gleichzeitiger Herabsetzung ihres Preises. Eine weitere Erhöhung des Gesamtnutzeffekts und/oder eine Herabsetzung der Leistung der Hochfrequenzspannungsquelle kann auf eine z.B. aus der USA-Patentschrift 2.745.990 an sich bekannte Weise dadurch erhalten werden, daß diese Quelle derart ausgebildet wird, daß sie kurze mit der Netzspannung synchronisierte Hochfrequenzspannungsimpulse erzeugen kann, die kurz nach jedem Kulidurchgang, z.B. zu der positiven Polarität, der Niederfrequenzwechselspannung zwischen der Schweißelektrode 11 und dem Werkstück 3 auftreten.

Auch mit der Ausführungsform nach Pig. 2 wurden vorzügliche Ergebnisse erzielt. Es wurde nachgewiesen, daß die Schweißelektrode 11 nicht selber thermisch emittierend gemacht zu werden braucht, um die Hochfrequenzentladung und den Schweißbogen zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück zu zünden und/oder zu stabilisieren, aber daß es dann genügt, wenn in der Nähe dieser Elektrode und in der Schutzgasströmung ein thermisch emittierendes Element angebracht ist, das sogar nicht mit der Schweißelektrode in galvanischem Kontakt zu sein braucht, Außerdem wurde gefunden, daß ein derartiger Kontakt sogar uner-

wenn

wünscht ist, weil,/der Heizdraht 25 mit der Schweißelektrode 11 in galvanischem Kontakt ist, die Hochfrequenzentladung unter Umständen an dem heißen Heizdraht 25 anfängt, so daß der Schweißbogen auch zwischen dem Heizdraht und dem Werkstück 3 gezündet wird und der Heizdraht durchbrennt.

Die Leistung, die benötigt wird, um den Heizdraht 25 auf eine genügend hohe Temperatur zu bringen, liegt in der

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Größenordnung von 20 W (z.B. 3 V und 4 A) und also in der gleichen Größenordnung wie die der Hilfselektrode 15 der Ausführungsform nach Fig. 1 zugeführte Gleichstromleistung (z.B. 2000 V und einige mA). Mit einem Heizdraht aus einem nur bei sehr hoher Temperatur verdampfenden Werkstoff, wie Wolfram, tritt keine Verunreinigung des Schutzgases und/ oder der Schweiße auf.

Patentansprüche: - 9 -

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Claims

Patentansprüche:

Anordnung zum Lichtbogenschweißen in einer Schutzgasströmung, in der der Schweißbogen von einer zwischen einer Schweißelektrode und dem Werkstück auftretenden Hochfrequenzentladung gezündet und/oder stabilisiert wird, welche Anordnung eine Schweißstromquelle, eine Hochfrequenzspannungsquelle, eine Schutzgasquelle und einen Schweißbrenner mit einem Halter für eine Schweißelektrode, einem rings um diese Elektrode mündenden Kanal für die Schutzgasströmung und einer Vorrichtung zum Ionisieren des durch diesen Kanal herausströmenden Schutzgases enthält, dadurch gekennzeichnet, daß sie enthält: ein erstes koaxiales Kabel (20), dessen Länge gleich einer Viertelwellenlänge der Hochfrequenzspannung ist und das einen ersten Leiter (7), desoen Enden an die Schwe Belektrode (II) bzw. an eine Klemme der Schweißstromquelle (1) angeschlossen η lud, und einen zweiten an eine Klemme der Hochfrequenznpannungnquelle (4) angeschlossenen Leit«r (8) aufwtUnt, und ο in zweites koaxiales Kabel (21) mit einem Ennenleltßr (2'5), dessen Enden an die andere Klemme der.· Hoohfrequenz-BpannungBquelLe (4) b/,w. an einen Punkt (24) «lea ernten Leiter« (YJ In dor liähe setnea van der Schweißelektrode (11) abgekehrten Endes angeachlosHen sind, und mit einem Außenleiter (22), der mit dem zweiten Leiter und mit der zuerst erwähnten Klemme dor Hochfr equenzspannungsquel le verbunden int, wobei din Summe der Länge des zweiten iroaxiaLen Kabola (21) und der Länge des !'«lies tlea ernten koaxialen Kabeln (20) zwischen dem Annchluüpunkt (24) des zweiten Kabels an

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weise biegsamen Hohlzylinders aufweist, in dem die Zufuhrleitung (13) für das Schutzgas, wenigstens eine leitende Verbindung mit der Ionisationsvorrichtung (15) und erforderlichenfalls Zu- und Abfuhrleitungen für eine Kühlwasserzirkulation untergebracht sind.

3.) Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des zweiten Leiters (8) durch Verschiebung eines unbiegsamen Teiles (8*) desselben einstellbar ist, welcher Teil das freie in der Nähe der Schweißelektrode (11) liegende Ende des zweiten Leiters (8) bildet.

4.) Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Ionisationsvorrichtung aus einem in dem Raum zwischen der Schweißelektrode und dem Kanal für die Schutzgasströmung angebrachten Heizdraht besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zwei leitende Verbindungen (26, 27) zum Zuführen eines Erhitzungnatroms zu diesem Heizdraht (25) Innerhalb dea ernten Leiters (7) isoliert angebracht Bind, ao daß dLe elektrischen Kreise der Schweißelektrode und des Holzdrähte« gegeneinander isoliert sind.

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