Das Kondensatorentladungsschweißen (KE-Schweißen) wird seit Beginn der 1960er Jahre industriell genutzt. Durch die Entladung einer Kondensatorbatterie wird ein exponentieller Stoßstrom erzeugt, der auf der Sekundärseite des Impulstransformators Spitzenströme von mehreren 100 kA erzeugt. Die KE-Anlagen sind in der Lage, Energien von 20 kWs (bei kleinen Maschinen) bis hin zu 200 kWs innerhalb von 25 ms in die Schweißstelle einzubringen.
Mit der Einführung der KE-Schweißtechnik wurde deren Betriebsverhalten um 1960 auf der Grundlage der Theorie eines Reihenschwingkreises beschrieben. Zu Beginn der 1980er Jahre ergab sich eine wesentliche Änderung des Betriebsverhaltens, weil Thyristoren als Schaltelemente und Leistungsdioden als Freilaufzweige in den Leistungskreisen zur Anwendung kamen. Diese Umstellung wurde aber in keiner Weise analytisch nachvollzogen.
Um KE-Maschinen in ihrem elektrischen Verhalten eindeutig darstellen zu können, wird ein umfassendes Gleichungssystem vorgestellt, das den Leistungskreis in seiner gegenwärtigen Ausprägung analytisch beschreibt und auch eine numerische Approximation der Prozesse zulässt. Um die mathematischen Methoden auf reale Maschinen anzuwenden, wird gleichzeitig ein Verfahren entwickelt, um die elektrischen Grundgrößen einer KE-Maschine (Widerstand, Induktivität und Kapazität) messtechnisch zu ermitteln. Im Ergebnis mündet die Systematisierung in einer Typisierung der KE-Maschinen und Stromverläufe, aus der Rückschlüsse zum schweißtechnischen Verhalten gezogen werden können.
Die Analyse des Betriebsverhaltens beschränkt sich nicht nur auf konventionelle Ein-Kondensator-Systeme; einbezogen werden auch Mehr-Kondensator-Maschinen und die unmittelbar vor der Markteinführung stehende Technologie der getakteten Kondensatorentladung.:Kurzreferat III
Abstract IV
Inhaltsverzeichnis 1
Verzeichnis der Bilder 3
Verzeichnis der Tabellen 6
Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Symbole 7
Glossar 22
Nummerierung von Gleichungen 24
Simulation 24
1 Eine Einführung 25
1.1 Vorwort 25
1.2 Zurück zu den Grundlagen – eine Motivation 25
1.3 Das KE-Schweißen im Brennpunkt neuer Anforderungen 26
2 Das Verfahren des KE-Schweißens 29
2.1 Der Schweißprozess und seine Parameter 29
2.2 Aufbau einer KE-Maschine 31
2.3 Energiesystem und Schaltung 32
2.4 Die KE-Maschine als Reihenschwingkreis 34
2.5 Mehr-Kondensator-Technik 39
2.6 Getaktete Kondensatorentladung 42
3 Stand von Wissenschaft und Technik 45
3.1 Veröffentlichungen zum „Kondensatorentladungsschweißen“ 45
3.2 Versuchsbericht des EWI/Columbus, Ohio 46
3.3 Wissenschaftliche Arbeiten 47
4 Vereinfachte Ersatzschaltung und Prozessphasen 52
4.1 Entwicklung eines vereinfachten Ersatzschaltbildes 52
4.2 Übersetzungsverhältnis der Spitzenströme 53
4.3 Grad der Beeinflussung 57
4.4 Phasen einer Ein-Kondensator-Schweißung 58
4.5 Phasen einer Mehr-Kondensator-Schweißung 59
5 Beschreibung des elektrischen Betriebsverhaltens 61
5.1 Hauptphase 61
5.1.1 Zeitliche Verläufe von Strom und Kondensatorspannung 61
5.1.2 Schlüsselparameter 63
5.1.3 Das Gleichungssystem 66
5.1.4 Die Variabilität des Betriebsfalls der Gedämpften Schwingung 66
5.2 Kommutierung des Stroms auf die Freilaufdiode 68
5.3 Stromnachlauf und Gesamtschweißablauf 70
5.3.1 Stromnachlauf 70
5.3.2 Kennwerte des Gesamtschweißablaufs 74
5.4 Das Betriebsverhalten eines Mehr-Kondensator-Systems 75
5.5 Numerische Beschreibung des Betriebsverhaltens 76
5.5.1 Analytische und numerische Lösung 76
5.5.2 Das Euler-Verfahren 77
5.5.3 Zustandsgrößen und Entwicklungsgesetz für die Hauptphase 77
5.5.4 Entwicklungsgesetze für Kommutierung und Stromnachlauf 81
5.6 Analogien zum mechanischen System 83
6 Bestimmen der elektrischen Grundgrößen von KE-Maschinen 85
6.1 Das Rechenverfahren 85
6.1.1 Berechnen der Dämpfungskennwerte 86
6.1.2 Bestimmen des Übersetzungsverhältnisses der Spitzenströme 88
6.1.3 Berechnen über die Ergebnisse von Kurzschluss- und Lastmessungen 88
6.1.4 Berechnen über die Strom-Zeit-Integrale 90
6.1.5 Verifizieren und Festlegen der Maschinen-Grundgrößen 92
6.1.6 Differenzieren der Grundgrößen und Grad der Beeinflussung 93
6.2 Praktische Vermessung der Maschine 94
6.2.1 Bedingungen der Versuchsmaschinen und Elektroden 94
6.2.2 Ausgeführtes Rechenverfahren 96
6.2.3 Messtechnik und zu messende Größen 97
6.2.4 Berechnen Dämpfungskennwerte für Maschine 1 bei ü = 20 98
6.2.5 Bestimmen des Übersetzungsverhältnisses der Spitzenströme 100
6.2.6 Berechnen der Grundgrößen über Kurzschluss/Lastfälle für Maschine 1 102
6.2.7 Berechnen der Grundgrößen über Strom-Zeit-Integrale für Maschine 1 104
6.2.8 Verifizieren und Festlegen der Grundgrößen 108
6.2.9 Differenzieren der Grundgrößen und Grad der Beeinflussung 112
6.3 Vereinfachter Rechenweg 113
6.4 Berechnete Maschinenkonstellationen 116
7 Typisierung von KE-Maschinen 118
7.1 Das Verfahren des Typisierens 118
7.2 Typisierung – Arbeitsbereiche und Anpassung 120
7.3 Typisierung und die neuen KE-Technologien 122
8 Zusammenfassung 127
Literaturverzeichnis 129
Anlagenverzeichnis 136 / Capacitor discharge (CD) welding has been used industrially since the beginning of the 1960s. Through the discharging of a capacitor battery, an exponential surge current is generated. This generates peak currents of several 100kAs on the secondary side of the pulse transformer. The CD systems are capable of transferring energies between 20 kWs (in the case of small machines) and 200kWs within 25ms into the joining zone.
When CD welding technology was introduced in around 1960, its operating behaviour was described on the basis of the theory of a series oscillation circuit. When the thyristor, as a switching element, and the power diode, as a free-wheeling circuit, were introduced into the power circuit in the early 1980s, the result was a substantial change in the operating behav-iour. However, there was no analytical understanding of the concept.
A comprehensive system of equations is required, in order to clearly portray the electrical behaviour of a CD machine. This describes the power circuit analytically in its current form, and also enables a numerical approximation of the processes. In order to apply these math-ematical methods to real machines, a method is being developed simultaneously, for the measurement of the basic electrical variables of a CD machine (resistance, inductance and capacitance). As a result, the systematisation results in a typification of the CD machines and the current courses, which enables us to draw conclusions with regard to the welding behav-iour.
The analysis of the operational behaviour is not limited to conventional single-capacitor sys-tems alone; multi-capacitor machines and clocked capacitor discharge technology, which is due to be launched on the market soon, are also included.:Kurzreferat III
Abstract IV
Inhaltsverzeichnis 1
Verzeichnis der Bilder 3
Verzeichnis der Tabellen 6
Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Symbole 7
Glossar 22
Nummerierung von Gleichungen 24
Simulation 24
1 Eine Einführung 25
1.1 Vorwort 25
1.2 Zurück zu den Grundlagen – eine Motivation 25
1.3 Das KE-Schweißen im Brennpunkt neuer Anforderungen 26
2 Das Verfahren des KE-Schweißens 29
2.1 Der Schweißprozess und seine Parameter 29
2.2 Aufbau einer KE-Maschine 31
2.3 Energiesystem und Schaltung 32
2.4 Die KE-Maschine als Reihenschwingkreis 34
2.5 Mehr-Kondensator-Technik 39
2.6 Getaktete Kondensatorentladung 42
3 Stand von Wissenschaft und Technik 45
3.1 Veröffentlichungen zum „Kondensatorentladungsschweißen“ 45
3.2 Versuchsbericht des EWI/Columbus, Ohio 46
3.3 Wissenschaftliche Arbeiten 47
4 Vereinfachte Ersatzschaltung und Prozessphasen 52
4.1 Entwicklung eines vereinfachten Ersatzschaltbildes 52
4.2 Übersetzungsverhältnis der Spitzenströme 53
4.3 Grad der Beeinflussung 57
4.4 Phasen einer Ein-Kondensator-Schweißung 58
4.5 Phasen einer Mehr-Kondensator-Schweißung 59
5 Beschreibung des elektrischen Betriebsverhaltens 61
5.1 Hauptphase 61
5.1.1 Zeitliche Verläufe von Strom und Kondensatorspannung 61
5.1.2 Schlüsselparameter 63
5.1.3 Das Gleichungssystem 66
5.1.4 Die Variabilität des Betriebsfalls der Gedämpften Schwingung 66
5.2 Kommutierung des Stroms auf die Freilaufdiode 68
5.3 Stromnachlauf und Gesamtschweißablauf 70
5.3.1 Stromnachlauf 70
5.3.2 Kennwerte des Gesamtschweißablaufs 74
5.4 Das Betriebsverhalten eines Mehr-Kondensator-Systems 75
5.5 Numerische Beschreibung des Betriebsverhaltens 76
5.5.1 Analytische und numerische Lösung 76
5.5.2 Das Euler-Verfahren 77
5.5.3 Zustandsgrößen und Entwicklungsgesetz für die Hauptphase 77
5.5.4 Entwicklungsgesetze für Kommutierung und Stromnachlauf 81
5.6 Analogien zum mechanischen System 83
6 Bestimmen der elektrischen Grundgrößen von KE-Maschinen 85
6.1 Das Rechenverfahren 85
6.1.1 Berechnen der Dämpfungskennwerte 86
6.1.2 Bestimmen des Übersetzungsverhältnisses der Spitzenströme 88
6.1.3 Berechnen über die Ergebnisse von Kurzschluss- und Lastmessungen 88
6.1.4 Berechnen über die Strom-Zeit-Integrale 90
6.1.5 Verifizieren und Festlegen der Maschinen-Grundgrößen 92
6.1.6 Differenzieren der Grundgrößen und Grad der Beeinflussung 93
6.2 Praktische Vermessung der Maschine 94
6.2.1 Bedingungen der Versuchsmaschinen und Elektroden 94
6.2.2 Ausgeführtes Rechenverfahren 96
6.2.3 Messtechnik und zu messende Größen 97
6.2.4 Berechnen Dämpfungskennwerte für Maschine 1 bei ü = 20 98
6.2.5 Bestimmen des Übersetzungsverhältnisses der Spitzenströme 100
6.2.6 Berechnen der Grundgrößen über Kurzschluss/Lastfälle für Maschine 1 102
6.2.7 Berechnen der Grundgrößen über Strom-Zeit-Integrale für Maschine 1 104
6.2.8 Verifizieren und Festlegen der Grundgrößen 108
6.2.9 Differenzieren der Grundgrößen und Grad der Beeinflussung 112
6.3 Vereinfachter Rechenweg 113
6.4 Berechnete Maschinenkonstellationen 116
7 Typisierung von KE-Maschinen 118
7.1 Das Verfahren des Typisierens 118
7.2 Typisierung – Arbeitsbereiche und Anpassung 120
7.3 Typisierung und die neuen KE-Technologien 122
8 Zusammenfassung 127
Literaturverzeichnis 129
Anlagenverzeichnis 136
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:32316 |
| Date | 03 December 2018 |
| Creators | Rusch, Hans-Jürgen |
| Contributors | Füssel, Uwe, Eckel, Hans-Günther, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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