DE3011885A1

DE3011885A1 - Verfahren und anordnung zum elektronischen steuern eines lichtbogenschweissgeraetes

Info

Publication number: DE3011885A1
Application number: DE19803011885
Authority: DE
Inventors: Evert Hilmer Ivar Joh Borrfors
Original assignee: BORRFORS EVERT HILMER IVAR JOHN
Current assignee: BORRFORS EVERT HILMER IVAR JOHN
Priority date: 1979-04-11
Filing date: 1980-03-27
Publication date: 1980-10-30
Also published as: GB2049315A; PL223374A1; JPS55141381A; AU5729780A

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum elektronischen Steuern eines Lichtbogenschweißgerätes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. dem des Anspruchs 3.

Es sind verschiedene Verfahren zum Steuern des Stromes bei Schweißgeräten bekannt. Normalerweise wird eines der folgenden Verfahren angewendet:

1) Die Transformatoren besitzen magnetische Parallelschaltkreise: Dies ist ein älteres Verfahren, das früher viel verwendet wurde. Bei diesem Verfahren ist jedoch der Transformator beim Herabregeln des Schweißstromes nicht effektiv ausgeneutzt. Der Wirkungsgrad und der Leistungsfaktor sind somit gering bzw. niedrig.

2) Eine Reihendrossel: Bei diesem Verfahren ist jede Transformatorphase in Reihe mit einer geregelten oder gesteuerten Induktanz verbunden. Dies ist u.a. im Hinblick auf die EnergieVerluste eine unbefriedigende Lösung.

3) Schweißgleichrichter besitzen drei Thyristoren und drei Dioden: Obwohl man mit einer solchen Anordnung den Schweißstrom steuern kann, ist der Bereich, in welchem der Strom geregelt werden kann, begrenzt.

Ό Schweißgleichrichter mit sechs Thyristoren: Bei diesem Verfahren kann man den Strom innerhalb eines weiten Bereiches regeln. Im Hinblick auf die Ankopplung der Thyristoren jedoch ist es notwendig, Spezialtransformatoren und separate

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Steuersysteme für jeden Thyristor zu verwenden, was diese spezielle Methode sehr kostspielig macht.

5) Transformatoren mit Anzapfung: Dies ist eine allgemein verwendete Methode. Bei diesem Verfahren ist es jedoch notwendig, Änderungen im Schweißtransformator selbst vorzunehmen und es muß zum Zwecke der steuerbaren Verringerung des Schweißstromes die Primärspule größer gemacht werden, was die Abmessungen des Transformators und die Kosten erhöht. Um eine Vielzahl von Regelmöglichkeiten vorzusehen, ist es auch notwendig, asymmetrische Kopplungsglieder zu verwenden, die wiederum u.a. bewirken, daß das (Licht-) Netz unsymmetrischen Belastungen unterworfen ist. Wegen des asymmetrischen Ausganges des Stromes vom Netz wird der Transformator nicht voll ausgenutzt, was bedeutet, daß der Transformator bis zu einem gewissen Grade überdimensioniert sein muß.

Metall-Schutzgas-Lichtbogenschweißen (MIG) ist ein modernes Verfahren zum Verbinden von Stahl und Nichteisenmetallen und -legierungen. Die Qualität der Schweißungen, die man mit diesem Verfahren erhält, hängt von der Genauigkeit ab, mit der die Schweißparameter gewählt werden können, insbesondere die Parameter wie der Schweißstrom, die Geschwindigkeit des Elektrodenvorschubs, die Länge der Zeit, über die das Schutzgas zugeführt wird, die Dauer des Schweißstromes und der Elektrodenvorschub beim Punktschweißen oder beim diskontinuierlichen Schweißen.

Bekannte Schweißgeräte für die Metall-Lichtbogenschwexßung und insbesondere für die Metall-Schutzgas-Lichtbogenschweißung verwenden eine Vielzahl von Relais und Schalter zum Erregen der Schwexßstromspeisevorrxchtung, der Elektrodenvorschubvorrxchtung und der Vorrichtung zum Zuführen des Schutzgases. Relais und Schalter haben gewisse Grenzen, u.a. im Hinblick auf die Möglichkeit, die verschiedenen Vorrichtungen im Schweißgerät genau zu

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synchronisieren. Des weiteren besitzen sie eine begrenzte Zuverlässigkeit und eine begrenzte Schaltgeschwindigkeit, so daß diese Elemente für Geräte zum präzisen Schweißen, das einen hohen Grad an Zuverlässigkeit erfordert, nicht geeignet sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zum elektronischen Steuern eines Lichtbogenschweißgerätes der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem bzw. bei der die o.g. Nachteile vermieden sind und erreicht ist, daß der Schweißstrom in einfacher und genauer Weise von Null bis zu einem maximalen Wert kontinuierlich geregelt werden kann und dabei eine symmetrische Belastung in allen Zuführungsphasen besteht, und daß die Elektrodenzuführungsvorrichtung synchron mit dem Schweißstrom erregt und entregt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Verfahren und einer Anordnung der eingangs genannten Art die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. die im Kennzeichen des Anspruchs 3 angegebenen Merkmale vorgesehen.

Durch die Verwendung von Triacs, die entsprechend der Erfindung gesteuert werden, ist es möglich, den Schweißstrom symmetrisch und kontinuierlich von Null bis zu einem maximalen Wert zu regeln und die Erregung des Elektrodenvorschubmotors zu synchronisieren, dessen Geschwindigkeit in entsprechender Weise gesteuert wird.

Im Falle eines Metall-Schutzgas-Lichtbogenschweißgerätes (MIG) ist ein Triac auch mit dem Speiseschaltkreis eines tauchspulenbetriebenen Ventils gekoppelt, um die Schutzgaszuführung zu steuern, wobei dieser Triac mit Hilfe von Steuersignalen von einer Gaszuführungs-Steuervorrichtung phasengesteuert ist, an die ein von dem genannten gemeinsamen Steuerschaltkreis geliefertes Steuersignal angelegt ist.

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Diese Steuersignale können nur zwei Werte einnehmen, von denen der eine einer vollständigen Blockierung der Zündimpulse der phasengesteuerten Triacs und der andere den maximalen Durchlaßwinkel von dessen Signal entspricht, wobei dieses andere Signal nur dann erzeugt werden kann, wenn ein Startschalter eingeschaltet ist. Zum Einstellen der Arbeitsweise enthält das Schweißgerät auch Selektoren, die mit dem gemeinsamen Steuerschaltkreis zum Erzeugen der Steuersignale zusammenwirken. Diese Signale, die dem gewünschten Schweißstrom und der gewünschten Geschwindigkeit der Elektrodenzuführung entsprechen, sind mit Hilfe eines entsprechenden Potentiometers in geeigneter Weise einstellbar.

Mit dem Begriff Triac ist im vorstehenden und im folgenden ein gesteuertes Halbleiterelement bezeichnet, das eine Kennlinie besitzt, die derjenigen entspricht, wie man sie durch Zweirichtungs-Thyristoren erhält.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert wird. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Metall-Schutzgas—Lichtbogenschweißgerätes gemäß einem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung und

Fig. 2 die Betriebsweise der im Gerät enthaltenen Steuerschaltkreise erläuternden Kennlinien.

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Das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 enthält einen Schweißtransformator mit Primärwicklungen 7, 8 und 9 und Sekundärwicklungen 39, 40 und 41. Die Bezugsziffern 42-47 bezeichnen Gleichrichterdioden, die mit den Sekundärwicklungen verbunden sind, und U_ die resultierende Schweißspannung. In Reihe mit jeder Primärwicklung 7-9 ist ein Triac 10, 11 bzw. 12 verbunden; die Triacs sind von einem Schweißstrom-Steuerschaltkreis 1 phasengesteuert. Die Bezugs ziffer 16 kennzeichnet einen Gleichstrom-Nebenschlußmotor zum Zuführen bzw. Bewegen der Elektrode, dessen Rotationsgeschwindigkeit durch Ändern der Spannung U₁- längs des Motors gesteuert wird. Der Motor ist mit der Gleichspannungsdxagonalen einer Gleichrichterbrücke, die Dioden 18-21 enthält, gekoppelt. Parallel zum Motor 16 ist eine Dämpfungsdiode 17 angeordnet. Ein Triac 22 liegt in Reihe mit der Wechselspannungs-Diagonalen der Gleichrichterbrücke und ist von einem Steuerschaltkreis 2 phasengesteuert, der die Geschwindigkeit der Zuführung der Elektrode steuert.

Soll das dargestellte Schweißgerät für Metall-Schutzgas-Lichtbogenschweißen verwendet werden, so enthält das Gerät auch ein elektromagnetisch gesteuertes Ventil 26 zum Zuführen des Schutzgases. Mit dem Schutzgas-Zuführungsschaltkreis ist ein Triac 2 7 gekoppelt, das von einem Gaszuführungs-Schaltkreis 3 phasengesteuert ist.

Die Bezugsziffer 6 kennzeichnet ganz allgemein einen Speisespannungs-Block, der u.a. dazu vorgesehen ist, einen Schutzschaltkreis 4 zu speisen, der wiederum einen Kontaktgeber bzw. Relais 33 steuert. Unter einer der Primärwicklungen des Transformators ist ein Temperaturfühler 48 angeordnet. Übersteigt die Temperatur in der Wicklung den zulässigen maximalen Wert, wird ein Signal an den Schutzschaltkreis 4 abgegeben, der damit die Spannung am Relais bzw. Kontaktgeber 33 sofort unterbricht. Das Relais 3 3 öffnet dann seine Kontakte 34, 35 und

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in den betreffenden Zuführungsphasen und auch die Kontakte 37 und 38, die die Speisespannung zum Elektrodenzuführungs-Motor 16 und zum Tauchspulen-Ventil 26, das der Zuführung des Schutzgases dient, unterbrechen. Diese Unterbrechung in den Speisespannungen schaltet das Schweißgerät ab und schützt den Transformator vor Überhitzung und Zerstörung.

Im folgenden wird nun der o.g. Steuerungsablauf mit Hilfe der Triacs gemäß der Erfindung detaillierter beschrieben. Spannungen U₀, U_fi und IL werden an die Steuerschaltkreise 1, 2 bzw. 3 angelegt und die Steuerelektrode jedes Triacs wird durch Zündimpulse, die von den betreffenden Steuerschaltkreisen erzeugt werden, gesteuert. Die Zündimpulse für jeden Triac sind relativ zur Hauptspeisespannung phasenverzögert, wobei die Größe der Verzögerung durch den Durchlaßwinkel OL für die betreffenden Triacs bestimmt ist. Das Einstellen des Durchlaßwinkels cc erfolgt durch Ändern der Steuerspannungen IL, IL und Uq an den betreffenden Steuerschaltkreisen. Der maximale Durchlaßwinkel entspricht der niedrigsten Steuerspannung.

Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Spannung U„ am Steuerschaltkreis 1 und dem Durchlaßwinkel OC für die Triacs, die mit den Primärwicklungen des Transformators gekoppelt sind, und der resultierenden gleichgerichteten Spannung ^un.

ist die Steuerspannung, die der vollständigen Blockierung der Zündimpulse zu den Triacs entspricht. Sowohl der Leitwinkel Oi- als auch die Spannung U_n sind dann 0. Nimmt U₂ nach

U₀ . ab, so wächst der Durchlaßwinkel nach 180° pro HaIb- L min

Periode hin und die Gleichspannung U_Q wächst nach u*Q_max hin.

Die Steuerspannung U2 ist die resultierende Spannung, die man am Ausgang eines Dioden 13 und IH enthaltenden Diodenaddierers erhält. 2ine Spannung U- wird über die Diode 14 angelegt, welche Spannung mit Hilfe eines Potentiometers 15

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eingestellt und von 0 Volt bis U_2max geändert werden kann. Eine Steuerspannung U^, die von einem Steuerschaltkreis 5 erzeugt wird, wird über die Diode 13 angelegt. Das Steuersignal U₁^ kann nur zwei Werte U₁=OV und IL > U„ annehmen, Somit herrschen zwei funktionelie Zustände in Abhängigkeit vom Wert der Steuerspannung U_u vor:

1) Spannung U₁=OV. Die Spannung U₂ wird dann gleich der Spannung U₃, womit es möglich ist, den Durchlaßwinkel der Triacs durch Regeln des Potentiometers 15 zwischen Null und dem maximalen Wert einzustellen.

2) Spannung U₁, > U₂ · Die Spannung U₂ wird dann größer als U₂ , was bedeutet, daß die Zündimpulse zu den Triacs 10, 11 und 12 blockiert sind.

Um die Spannung U^=OV zu erzeugen ist es notwendig, den Einschaltknopf 31 am Schweißgerät zu drücken.

Die Bezugsziffer 32 bezeichnet einen Selektorschalter j der dann, wenn der Einschaltknopf 31 gedrückt ist, über die Funktionsart, in welcher der Steuerkreis 5 arbeiten soll, entscheidet. Somit ist es erfindungsgemäß möglich, zusätzlich zu den kontinuierlichen Schweiß vorgängen auch bspw=, Punktschweißen, diskontinuierliches Schweißen oder Pulsationslichtbogenschweißen durchzuführen. Zu diesem Zwecke ist ein steuerbarer Widerstand 30 vorgesehens um die Dauer- der Impulse beim Punktschweißen und beim diskontinuierlichen Schweißen zu steuern.

Der Steuerschaltkreis 2 zum Steuern des Triacs 22, der im Speiseschaltkreis des Elektrodenzuführungsmotors 16 angeordnet ist₃ arbeitet in einer» dem Steuerschaltkreis 1 entsprechenden Weise. Der Eingang erhält die Spannung U_g von einem Dioden-

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addierer, der Dioden 2 3 und 24 besitzt, wobei diese Spannung den Durchlaßwinkel des Triacs 22 in derselben Weise bestimmt, wie bei der Steuerspannung U„ für den Steuerschaltkreis 1. Die die Geschwindigkeit bestimmende Spannung U₅ längs des Motors 16 ist somit von der Steuerspannung U_ß abhängig. Die Spannung U₇, die über die Diode 2H angelegt ist, kann mit Hilfe eines Potentiometers 25 eingestellt und innerhalb des Bereiches von OV bis U_ß variiert werden, wobei der letztere Wert das Blockieren der Zündimpulse zum Triac 22 bedeutet. Ein Steuersignal Ug vom Steuersignalschaltkreis 5 wird über die Diode angelegt, welches Signal ebenfalls nur die beiden Werte Ug=OV

und U_Q>U_c einnehmen kann. Somit bedeutet dieser letztere ο bmax

Wert das vollständige Blockieren bzw. Sperren des Triacs. Den Wert Ug=OV erhält man nur dann, wenn der Einschaltknopf 31 gedrückt wird. Auch in diesem Falle kann man nur zwei Funktionsarten erreichen, die von dem Wert der Steuerspannung Ug abhängen. Bei der einen Betriebsart ist der Triac 22 vollständig gesperrt und bei der anderen ist sein Durchlaßwinkel durch das Einstellen des Potentiometers 25 bestimmt.

Der Triac 27, der im Zuführschaltkreis des Tauchspulenventils

26 angeordnet ist, wird in entsprechender Weise in Abhängigkeit von der Steuerspannung U_g gesteuert, die man am Ausgang eines Diodenaddierers mit Dioden 2 8 und 2 9 erhält und die dem Steuerschaltkreis 3 zugeführt ist. Eine konstante Spannung U₁₀=OV wird über die Diode 29 angelegt, während ein STeuersignal U₁₁ vom Steuerschaltkreis 5 über die Diode 2 8 angelegt wird. Da das Steuersignal U.. nur zwei Werte einnehmen kann, nämlich U₁₁=OV und ^u ₁₁>Ug , kann auch die Steuerspannung U_g nur zwei Zustände einnehmen, nämlich U_g=OV und U_g>Ug_max· Der erste Wert entspricht dem maximalen Durchlaßwinkel des Triacs

27 und bewirkt, daß das Ventil 26 öffnet. Der andere Wert entspricht der vollen Blockierung der Zündimpulse, die bewirken, daß das Ventil geschlossen wird. Die Steuerspannung U₁₁=OV kann man nur erreichen, wenn der Einschaltknopf 31 gedrückt ist.

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Somit sind mit der vorgenannten Schaltungsanordnung die Schweißspannung, die Elektrodenzuführung bzw. -bewegung und die Schutzgaszuführung mit Hilfe der Steuersignale vom Steuerschaltkreis 5 genau synchronisiert, dessen Arbeitszyklus vom Einstellen des Selektorschalters 32 abhängig ist. Die Größe des Schweißstromes wird mit Hilfe des Potentiometers 15 und die Geschwindigkeit, mit der die Elektrode zugeführt wird, mit Hilfe des Potentiometers 25 eingestellt. Vorzugsweise können die Spannungen von den Potentiometern in Abhängigkeit voneinander verändert werden. Das Steuern des Schutzgasventiles kann dort entfallen, wo bei dem Schweißvorgang kein Schutzgas verwendet wird, wobei es nicht notwendig is.t, die Schaltung in anderer Hinsicht zu ändern. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, daß der Schweißstrom und die Geschwindigkeit, mit der die Elektrode bewegt wird, sehr fein geregelt werden können. Es ergeben sich keine Probleme oder Nachteile, die von asymmetrischen Belastungen im Schweißtransformator herrühren würden. Dasselbe Gerät kann auch an verschiedene Schweißvorgänge bzw. -verfahren angepasst werden, die in einfacher Weise mit Hilfe des Selektorschalters 32 eingestellt werden können.

- Ende der Beschreibung -

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Claims

PATENTANWÄLTE DREISS & FUHLENDORF UWE DREiss SCHICKSTR. 2, D-7000 STUTTGART 1 Dr. jur. Dipl.-Ing., M. Sc. TF (O711) 2457 34 JÖRN FUHLENDORF TG UDEPAT Dipl.-Ing. TX 7-22247 udpa d Γ ~1 DREISS & FUHLENDORF, SCHICKSTR. 2, D - 7O00 STUTTGART 1 Anmelder: Priorität: Evert Hilmer Ivar John Borrfors 11. April 19 79 Trängsundsvagen 13 Nr. 79 03 245-H S-142 00 Trängsund, Schweden Schweden L J Amtl. Akt. Z. Ihr Zeichen Mein Zeichen Datum Off. Ser. No. Your Ref. My Ref. Date BOR-1836 25.3.1980 F/T Titel: Verfahren und Anordnung zum elektronischen Steuern eines Lichtbogenschweißgerätes Patentansprüche

1.!Verfahren zum elektronischen Steuern eines Lichtbogenschweiß- ^-'gerätes , insbesondere eines Metall-Lichtbogenschweißgerätes, mit einem Transformator und eine motorgetriebene Elektrodenvorschubvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstrom und die Geschwindigkeit des Elektrodenvorschubs mit Hilfe je eines Triacs gesteuert wird, der in Reihe mit jeder Primärwicklung des Transformators und mit dem Speiseschaltkreis für den dem Elektrodenvorschub dienenden Motor geschaltet ist, wobei die Triacs mit Hilfe von Steuersignalen von einem Schweißstrom-Steuerschaltkreis bzw. einem Schaltkreis zum Steuern der Geschwindigkeit des Elektrödenvorschubs phasengesteuert sind, und daß an die Steuerschaltkreise die Summe aus einem Steuersignal von einem gemeinsamen Steuerschal tkreis und einem Signal, das dem gewünschten Schweißstrom bzw. der gewünschten Geschwindigkeit des Elektrodenvorschubs entspricht, angelegt werden.

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Dresdner Bank Stuttgart 1919854 (BLZ 600 8OO 00), Postscheckkonto Stuttgart 507 71-705

2. Verfahren zum Steuern eines Schutzgas-Metall-Lichtbogenschweißgerätes nach Anspruch 1, dadurch gekenn ze i chne t, daß die Zuführung von Schutzgas mit Hilfe eines Triacs gesteuert wird, der im Speiseschaltkreis eines tauchspulenbetätigten Ventils angeordnet ist und der mit Hilfe von Steuersignalen von einem Gaszuführungs-Steuerschaltkreis phasengesteuert wird, an den ein Steuersignal vom genannten gemeinsamen Steuerschaltkreis angelegt wird.

3. Anordnung zum elektronischen Steuern eines Lichtbogenschweißgerätes, insbesondere eines Metall-Lichtbogenschweißgerätes , mit einem Transformator und einer motorgetriebenen Elektroden vors chub vor richtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Triac (10-12, 22) aufweist, der in Reihe mit jeder Primärwicklung (7-9) des Transformators und mit dem Speiseschaltkreis des Elektrodenvorschub-Motors (16) geschaltet ist, wobei der Triac zur Steuerung des Schweißstromes bzw. der Geschwindigkeit des Elektrodenvorschubs vorgesehen ist, daß ein Schweißstrom-Steuerschaltkreis (1) und ein Schaltkreis (2) zum Steuern der Geschwindigkeit des Elektrodenvorschubs vorgesehen sind, welche Schaltkreise (1; 2) Phasensteuersignale für die Triacs (10-12, 22) erzeugen, und daß Mittel (13, 14; 23, 2M-) zum Anlegen der Summe eines Steuersignals vom gemeinsamen Steuerschaltkreis (5) und eines Signales, das dem gewünschten Schweißstrom, bzw. eines Signales, das der gewünschten Geschwindigkeit des Elektrodenvorschubs entspricht, an die Steuerschaltkreise vorgesehen sind.

4. Anordnung zum elektronischen Steuern eines Metall-Schutzgas-Lichtbogenschweißgerätes, nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet . daß ein Triac (27), der mit dem Speiseschaltkreis eines tauchspulenbetriebenen Ventils (26) gekoppelt ist und die Zuführung von Schutzgas steuert, und ein Gaszuführungs-Steuerschaltkreis (3) vorgesehen ist, der Phasensteuersignale

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für diesen Triac (27) erzeugt und der mit einem Steuersignal vom gemeinsamen Steuerschaltkreis (5) gespeist ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnat» daß die Steuersignale vom gemeinsamen Steuerschaltkreis <5) nur zwei Zustände einnehmen können, von denen der eine der vollständigen Blockierung der Zündimpulse an die Triaes (10-12; 22, 27) und der andere den maximalen Durchlaßwinkel der Triaes entspricht, wobei dieser andere Wert nur dann erzeugt werden kann, wenn ein Startkontakt (31) betätigt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswahlvorrichtung {32) für die Arbeitsweisen vorgesehen ist, die so angeordnet ist, daß sie mit dem gemeinsamen Steuerschaltkreis (5) zusammenwirkt und die Steuersignale zum Steuern der Arbeitsweise des Schweißgerätes erzeugt.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale, die dem gewünschten Schwexßstrom bzw. der gewünschten Geschwindigkeit des ElektrodenVorschubs entsprechen, jeweils mit Hilfe eines entsprechenden Potentiometers (15; 25) einstellbar sind.

- Ende der Ansprüche -

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