Eigenschaften einer Schweißstromquelle
Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, lernen Sie die Eigenschaften einer Schweißstromquelle kennen: - 1. Volt-Ampere-Eigenschaften einer Schweißstromquelle 2. Externe statische Volt-Ampere-Eigenschaften einer Schweißstromquelle 3. Konstantstrommerkmale 4. Konstantspannung Eigenschaften 5. Dynamische Volt-Ampere-Eigenschaften.
Volt-Ampere-Eigenschaften einer Schweißstromquelle:
Alle Schweißstromquellen haben zwei Arten von Betriebseigenschaften, nämlich statische und dynamische Eigenschaften. Die statische Ausgangskennlinie kann leicht durch Messen der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms im stationären Zustand durch ein herkömmliches Ladeverfahren mit variablen Widerständen ermittelt werden. Somit bildet eine Kurve, die den Ausgangsstrom gegenüber der Ausgangsspannung für eine bestimmte Stromquelle zeigt, seine statische Charakteristik.
Die dynamische Charakteristik einer Lichtbogenschweißstromquelle wird durch Aufzeichnen der über einen kurzen Zeitraum auftretenden Übergangsschwankungen des Schweißstroms und der Lichtbogenspannung bestimmt. Somit beschreibt es momentane Variationen, die innerhalb eines kurzen Zeitintervalls, etwa einer Millisekunde, auftreten. Die Lichtbogenstabilität wird durch das Zusammenspiel der statischen und dynamischen Volt-Ampere-Eigenschaften (VI) der Schweißstromquelle bestimmt.
Die intrinsische transiente Natur eines Schweißlichtbogens ist der Hauptgrund für die große Bedeutung der dynamischen Charakteristik einer Lichtbogenschweißstromquelle. Die meisten Schweißlichtbögen weisen kontinuierlich wechselnde Bedingungen auf, die hauptsächlich mit dem Auftreffen des Lichtbogens, der Metallübertragung von der Elektrode in das Schweißbad und der Lichtbogenlöschung und -zündung während jedes Halbzyklus des Wechselstromschweißens zusammenhängen. Die transiente Natur des Schweißlichtbogens ist auch auf Schwankungen der Lichtbogenlänge, der Lichtbogentemperatur und der Elektronenemissionseigenschaft der Kathode zurückzuführen.
Die Änderungsrate von Spannung und Strom bei Lichtbogenschweißprozessen ist so hoch, dass die statische Volt-Ampere-Charakteristik einer Stromquelle für die Vorhersage der dynamischen Charakteristik eines Schweißlichtbogens kaum von Bedeutung sein kann.
Es sind jedoch nur die statischen Volt-Ampere-Eigenschaften einer Schweißstromquelle, die vom Hersteller geliefert werden. Sie können zwar nicht die Art des Verhaltens der Stromquelle hinsichtlich ihrer dynamischen Reaktion angeben, sie sind jedoch für die Bestimmung der allgemeinen Reaktion bei der Steuerung der Prozessparameter von erheblicher Bedeutung.
Externe statische Volt-Ampere-Eigenschaften einer Schweißstromquelle:
Ein sehr wichtiges Merkmal jeder Lichtbogenschweißstromquelle ist ihre äußere statische Volt-Ampere-Eigenschaft. Es ist eine Kurve, die die Spannung der Quelle mit dem Schweißstrom in Beziehung setzt. Die Volt-Ampere-Kennlinie einer Schweißstromquelle wird durch Messen der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms erhalten, während sie statisch mit reiner Widerstandslast belastet wird, die von der Mindestlast oder der Leerlast bis zu den Maximal- oder Kurzschlussbedingungen variiert. Die externen statischen Eigenschaften einer Schweißstromquelle variieren mit der Anwendung, für die sie vorgesehen ist.
Abb. 4.1 zeigt verschiedene Arten von Volt-Ampere-Eigenschaften, die für die Schweißstromquellen verwendet werden. Im Allgemeinen werden alle diese VI-Eigenschaften in vier Kategorien unterteilt, nämlich steil abfallende, stufenweise abfallende, flache und ansteigende Eigenschaften, die jeweils für das Handbogenschweißen, das Unterpulverschweißen, das halbautomatische Gasmetallbogenschweißen und den automatischen Gasmetallbogen verwendet werden Schweißprozesse.
Abb. 4.1 Statische Volt-Ampere-Eigenschaften verschiedener Arten von Schweißstromquellen
Auch andere Lichtbogenschweißverfahren werden von diesen vier Typen abgedeckt. Es ist jedoch durchaus üblich, die Schweißstromquelle mit herabfallenden V-I-Eigenschaften als konventionelle oder Konstantstrommaschinen und die Schweißstromquellen mit flachen oder nahezu flachen VI-Eigenschaften als Konstantspannungs- oder Konstantpotentialmaschinen zu betrachten.
Weitere Diskussionen dazu finden Sie unter diesen beiden Überschriften:
Konstantstrommerkmale einer Schweißstromquelle:
Eine herkömmliche Lichtbogenschweißstromquelle ist als Konstantstrommaschine (CC) bekannt. Es hat die abfallende Volt-Ampere-Kennlinie und wurde für den Einsatz beim geschirmten Metallbogenschweißen eingesetzt.
Die Konstantstromkurve zeigt, dass die Schweißstromquelle ohne Last die maximale Ausgangsspannung erzeugt. Mit steigender Last nimmt die Ausgangsspannung ab. Die maximale Leerlaufspannung oder Leerlaufspannung beträgt normalerweise 100 Volt.
Eine Stromquelle mit konstantem Strom kann einen Gleichstrom- oder Wechselstromausgang haben. Neben SMAW wird es für das Lichtbogenschweißen, das Wolfram-Lichtbogenschweißen, das Plasma-Lichtbogenschweißen und das Bolzenschweißen verwendet. Es kann auch für kontinuierliche Drahtprozesse verwendet werden, wenn Drähte mit relativ großem Durchmesser verwendet werden, zum Beispiel Unterpulverschweißen.
Die Schweißstromquellen vom Konstantstromtyp können auch für einige automatische Schweißprozesse verwendet werden. Dies erfordert die Verwendung von Drahtvorschubgeräten und Steuerungen, um die Bewegungen des Schweißgeräts zu duplizieren, um den Lichtbogen einzuleiten und aufrechtzuerhalten, was normalerweise durch ein komplexes Rückkopplungssystem zur Überwachung der Lichtbogenspannung zur Steuerung der Lichtbogenlänge erreicht wird.
Bis vor kurzem wurden Konstantstrom-Stromversorgungen selten zum Schweißen mit sehr kleinen Durchmessern verwendet. Nun sind jedoch Lichtbogenschweiß-Stromquellen mit echten statischen statischen Eigenschaften von Volt-Ampere entwickelt worden, wie in Fig. 4.2 gezeigt, die mit Drähten mit kleinem Durchmesser innerhalb des normalerweise verwendeten Lichtbogenspannungsbereichs verwendet werden können.
Der Schweißer, der diesen Maschinentyp verwendet, hat durch die Änderung der Lichtbogenlänge kaum eine Kontrolle über den Schweißstrom, da er von einer solchen Änderung nicht beeinflusst wird. Dies ist für das Wolfram-Lichtbogenschweißen von Vorteil, da die Änderung der Lichtbogenlänge bei diesem Prozess begrenzt ist. Es ist auch beim Gasmetall-Lichtbogenschweißen von erheblichem Nutzen, wo es verwendet wird, um einen Sprühmodus für die Metallübertragung mit einem niedrigen mittleren Strom bereitzustellen.
Dies geschieht durch die Stromquelle, die so programmiert werden kann, dass sie von einem niedrigen oder Hintergrundstrom zu einem Spitzen- oder Impulsstrom wechselt, um die Ablösung der Tröpfchen durch eine erhöhte Schmelzrate in Verbindung mit einem verbesserten Einklemmeffekt zu beeinflussen. Dies wird als Impulsschweißen bezeichnet.
Beim Impulsstromschweißen werden zwei Stromstärken wie in Abb. 1 dargestellt. 4.3, mit gewünschten Zeitperioden kann eingestellt werden, um den erforderlichen mittleren Schweißstrom zu erreichen Das Impulsstromschweißen gewinnt sowohl mit dem Wolfram-Lichtbogenschweißen als auch mit dem Gasmetall-Lichtbogenschweißverfahren an Beliebtheit.
Konstantspannungseigenschaften einer Schweißstromquelle :
Eine Konstantspannungs (CV) -Schweißstromquelle hat im Wesentlichen eine flache Volt-Ampere-Kennlinie, normalerweise jedoch mit einem leichten Abfall. Die Kurve kann nach oben oder unten verschoben werden, um die Spannung zu ändern (siehe Abb. 4.4). Die Spannung wird jedoch nie so hoch ansteigen wie bei einer Konstantstrom-Schweißstromquelle.
Abb. 4-4 Unterschiedliche Volt-Ampere-Kurven von Konstantspannungsquellen
Dies ist ein Grund, warum die Konstantspannungsschweißstromquelle nicht für das manuelle Lichtbogenschweißen mit beschichteter Elektrode verwendet wird, da hierfür eine höhere OCV erforderlich ist, um einen Lichtbogen einzuleiten. Die Schweißstromquellen mit Konstantspannungs-Volt-Ampere-Eigenschaften werden nur für das kontinuierliche Elektrodendrahtschweißen, wie beispielsweise das Gasmetall-Lichtbogenschweißen, verwendet.
Die Volt-Ampere-Charakteristik einer CV-Stromquelle ist so ausgelegt, dass sie im Leerlauf und bei Nenn- oder Volllast nahezu die gleiche Spannung erzeugt. Es hat eine VI-Eigenschaft, die einem handelsüblichen Stromgenerator ähnelt. Wenn sich die Last in der Schaltung ändert, passt die Stromquelle automatisch ihren Stromausgang an, um die Anforderung zu erfüllen, und behält im Wesentlichen die gleiche Spannung an den Ausgangsanschlüssen bei. Dieses System stellt somit einen selbstregelnden Lichtbogen bereit, der auf einer voreingestellten Drahtzuführrate und einer Stromquelle mit konstanter Spannung basiert.
Die vereinfachten Steuerungen beseitigen die komplexe Schaltung und Umkehrung des Drahtvorschubantriebsmotors, um einen stabilen Schweißlichtbogen auszulösen oder aufrechtzuerhalten.
Eine Konstantspannungs-Schweißstromquelle liefert den richtigen Strom, so dass die Elektrodenschmelzrate gleich der Drahtvorschubgeschwindigkeit ist. Die Lichtbogenlänge wird durch Einstellen der Spannung an der Stromquelle voreingestellt, während der Schweißstrom durch Einstellen der Drahtvorschubgeschwindigkeit gesteuert wird.
Die Volt-Ampere-Charakteristik einer Schweißstromquelle muss so ausgelegt sein, dass ein stabiler Lichtbogen für GMAW mit Drähten mit unterschiedlichem Durchmesser und Metall zur Verwendung mit unterschiedlichen Schutzgasen bereitgestellt wird. Die meisten Konstantspannungs-Schweißstromquellen sind mit Mitteln zum Einstellen der Steigung der VI-Kurve versehen.
Es hat sich gezeigt, dass die VI-Kurven mit Steigungen von 1-5 bis 2 Volt / 1004 am besten für GMAW von NE-Metallen, Unterpulverschweißen und für das Flux-Core-Schweißen mit Elektrodendrähten mit größerem Durchmesser geeignet sind. Eine Kurve mit einer mittleren Steigung von 2 bis 3 Volt / 100 A ist für das Schweißen von Metalloxidgas mit Schutzgas und Metall und für Fülldraht mit kleinem Durchmesser bevorzugt. Eine steilere Steigung von 3 bis 4 Volt / 100 A ist für die Kurzschlussübertragung nützlich. Diese drei Arten von Steigungen sind in Abb. 4.5 dargestellt. Bei gleicher Änderung der Lichtbogenspannung ist die Änderung des Schweißstroms umso stärker, je flacher die Kurve ist.
Abb. 4-5 Unterschiedliche Steigungen bei Konstantspannungs-Schweißstromquellen
Die dynamischen Eigenschaften einer Konstantspannungsquelle müssen sorgfältig geplant werden. Aufgrund einer abrupten Spannungsänderung bei einem Kurzschluss steigt der Strom schnell auf einen sehr hohen Wert. Dies ist ein Vorteil beim Initialisieren des Bogens, kann jedoch unerwünschte Spritzer verursachen.
Sie kann jedoch durch Hinzufügen von Reaktanz oder Induktivität in der Schaltung gesteuert werden. Dies führt zu einer Änderung des Zeitfaktors oder der Reaktionszeit und führt zu einem stabilen Lichtbogen. Bei den meisten Schweißstromquellen ist für die verschiedenen Steigungen ein anderer Betrag an Induktivität in der Schaltung enthalten. Dies geschieht durch die Bereitstellung eines variablen Reaktors im System.
Das Konstantspannungs-Schweißleistungssystem hat seinen größten Vorteil, wenn die Stromdichte des Elektrodendrahts hoch ist. Das Konstantspannungsprinzip des Schweißens wird normalerweise nicht mit Wechselstrom verwendet. Es kann zwar für das Unterpulverschweißen und das Elektroschlackeschweißen verwendet werden, ist jedoch bei diesen Verfahren nicht beliebt. Es sollte nicht für das Schutzgasschweißen mit abgeschirmtem Metall verwendet werden, da es die Stromquelle überlasten und beschädigen kann, indem zu lange Strom gezogen wird.
Auswahl eines statischen Volt-Ampere-Merkmals für einen Schweißprozess:
Grundsätzlich gibt es vier Arten statischer Volt-Ampere-Eigenschaften, die je nach dem Prozess, für den sie eingesetzt werden sollen, in eine Schweißstromquelle eingebaut werden können.
Diese vier Arten von VI-Merkmalen sind:
1. Steil hängender Typ,
2. allmählich herabhängender Typ,
3. Fiat- oder Konstantspannungstyp und
4. steigender Spannungstyp.
Alle diese Stromquellencharakteristiken mit den Volt-Ampere-Eigenschaften des überlagerten Schweißlichtbogens sind in Abb. 4.6 dargestellt.
Abb. 4.6 Volt-Ampere-Eigenschaften verschiedener Schweißstromquellen und des Schweißlichtbogens
1. Steil abfallendes VI-Merkmal:
Die Schweißstromquelle mit steil abfallender Volt-Ampere-Kennlinie hat eine hohe Leerlaufspannung und einen niedrigen Kurzschlussstrom, wie durch die Kurve 1 in Abb. 4.6 dargestellt. Es ist offensichtlich, dass, wenn sich die Bogenlänge zwischen L - δ L und L + δ L ändert, die Stromänderung sehr gering ist.
Diese Art von Volt-Ampere-Charakteristik eignet sich am besten für SMAW, das manuelle Lichtbogenhandschweißen mit beschichteten Elektroden, da eine geringfügige Änderung der Lichtbogenlänge aufgrund der Eigenbewegung der menschlichen Hand während des Schweißvorgangs die Schmelzrate der Elektrode nicht beeinflusst. Außerdem sorgt eine hohe Leerlaufspannung für eine einfache Einleitung und Wartung des Schweißlichtbogens.
2. Nach und nach fallendes VI-Merkmal:
Die Stromquelle mit allmählich abfallender statischer Volt-Ampere-Charakteristik, wie in Kurve 2 in Abb. 4.6 dargestellt, kann einen hohen Kurzschlussstrom liefern, wie er für das Unterpulverschweißen mit dicken Elektroden benötigt wird, insbesondere für Elektrodendurchmesser von mehr als 3, 5 min. Eine Stromquelle mit dieser Art von Voltampere-Charakteristik erfordert eine Technik der Lichtbogeninitiierung, die der für SMAW verwendeten Berührung und Zug ähnlich ist, oder alternativ kann Stahlwolle verwendet werden, um einen kurzzeitigen Kurzschluss zwischen der Elektrode und dem Werkstück bereitzustellen.
Die Leerlaufspannung kann etwas niedriger sein als bei steil abfallender VI-Kennlinie. Dieses Merkmal hilft bei der Bereitstellung einer Art Selbstregulierung der Lichtbogenlänge während des Schweißens, da für die gleiche Änderung der Lichtbogenlänge die Änderung des Lichtbogenstroms wesentlich größer ist als bei einer stark abfallenden Volt-Ampere-Charakteristik.
3. Flaches VI-Merkmal:
Bei einer Konstantspannungs-Schweißstromquelle für eine kleine Änderung der Lichtbogenlänge gibt es eine große Änderung des Schweißstroms, was ihn ziemlich empfindlich macht und somit dazu beiträgt, eine gleichmäßige Lichtbogenlänge aufrechtzuerhalten, was zu gleichbleibender Schweißqualität führt. Dies wird im Allgemeinen als die Selbstregulierung der Lichtbogenlänge bezeichnet und ist eine wesentliche Voraussetzung für den Erfolg des Metallgasschweißens.
Die Änderung der Lichtbogenlänge ist insbesondere bei halbautomatischem GMAW unvermeidlich, daher ist die statische Volt-Ampere-Charakteristik mit konstanter Spannung für feine Drahtschweißprozesse sehr nützlich. Die flache VI-Charakteristik, die in Abbildung 4.6 durch die Kurve 3 dargestellt ist, ist jedoch nicht wirklich flach, sondern fällt normalerweise bei 1-3 Volt pro 100 Ampere ab. Alle Schweißstromquellen mit flachen VI-Eigenschaften sind fast immer vom Typ des Transformators und Gleichrichters, und die positive Polarität (ep) ist die normalerweise verwendete Polaritätseinstellung.
4. Steigendes VI-Merkmal:
Bei einer Schweißstromquelle mit ansteigender Volt-Ampere-Kennlinie steigt der Strom mit dem Spannungsanstieg an, wie durch die Kurve 4 in Fig. 4.6 gezeigt ist. Diese VI-Charakteristik basiert auf einer leichten Änderung der Konstantspannungskennlinie. Ein Vorteil der ansteigenden VI-Charakteristik gegenüber der Flachcharakteristik besteht darin, dass mit zunehmender Drahtvorschubgeschwindigkeit der Strombedarf erhöht wird und die Spannung automatisch erhöht wird. Dieses Merkmal hilft dabei, eine konstante Bogenlänge aufrechtzuerhalten, selbst wenn ein Kurzschluss auftritt. Die steigende VI-Charakteristik ist hauptsächlich an die vollautomatischen Prozesse anpassbar.
Dynamische Volt-Ampere-Eigenschaften einer Schweißstromquelle:
Die dynamische Charakteristik einer Schweißstromquelle ist die Beziehung zwischen der Lichtbogenspannung und dem entsprechenden Schweißstrom, wenn sich diese von einem Zeitpunkt zum anderen ändern, wie in Abb. 4.7 dargestellt.
Es ist zwingend notwendig, die Natur der dynamischen Charakteristik zu kennen, um die Stromanstiegsrate nach einem Kurzschluss zu bestimmen, der die Schmelzrate der Elektrode und die Schweißspritzer beeinflusst.
Die dynamischen VI-Eigenschaften werden durch Aufzeichnen der Volt-Ampere-Transienten während des tatsächlichen Betriebs der Stromquelle erhalten. Aus den dynamischen VI-Eigenschaften kann die Art der Metallübertragung für einen bestimmten Satz von Schweißparametern bestimmt werden.
Problem 1:
Die Lichtbogenlängenspannungscharakteristik eines Gleichstromlichtbogens ist durch die Gleichung V = 24 + 41 gegeben, wobei V die Lichtbogenspannung und I die Lichtbogenlänge in mm ist. Die statische Volt-Ampere-Charakteristik der Stromquelle wird durch eine gerade Linie mit 80 Volt Leerlaufspannung und einem Kurzschlussstrom von 600 Ampere angenähert. Bestimmen Sie die optimale Lichtbogenlänge für die maximale Leistung.
Lösung :
Problem 2:
Die statische Volt-Ampere-Eigenschaft einer Schweißstromquelle ist durch die Parabelgleichung gegeben
I 2 = - 500 (V - 80)
und die Bogencharakteristik wird durch die Geradengleichung dargestellt
I = 23 (V-18).
Bestimmen,
(a) die Kraft eines stabilen Bogens,
(b) Wenn die Lichtbogenlänge (I) und die Lichtbogenspannung (V) durch den Ausdruck V = 20 + 4-5 in Beziehung stehen, bestimmen Sie die optimale Lichtbogenlänge für die maximale Leistung.
(c) Wenn die Konvektions- und Strahlungsverluste für den Bogen in (b) 15% der Lichtbogenleistung betragen, dann bestimmen, ob es vorteilhaft ist, eine Bogenlänge von 4 mm zu haben, wobei diese Verluste nur 20% derjenigen des Lichtbogens sind in (b). Kommentieren Sie kurz die beiden Fälle.
Lösung:
(a) Für Bogen:
(b) Für Bogen:
Beim Vergleich von (v) und (vi) ist es offensichtlich, dass die Nettoleistung bei einer Bogenlänge von 4 mm höher ist als bei einer Bogenlänge von 7 bis 4 mm. Daher sollte I = 4 mm bevorzugt werden.
Problem 3:
Bestimmen Sie die Änderung des Schweißstroms, wenn sich die Lichtbogenlänge für Stromquellen mit den folgenden statischen Volt-Ampere-Eigenschaften von 4 mm auf 5 mm ändert.
(i) I 2 = - 400 (V - 100)
(ii) I 2 = - 8000 (V - 80)
(iii) V = 48 - (I 1, 05 / 50)
(iv) V = 30 + ( 1, 05 / 50)
Es sei angenommen, dass die Bogenlänge (l) und die Bogenspannung (V) durch den Ausdruck V = 20 + 4l zusammenhängen.
Lösung :
