Schweiß- oder Schneidbrenners und Schlauchpaket mit einer Zusatzschaltung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Zusatzschaltung für Prozessversorgungsleitungen eines Schweiß- oder Schneidbrenners gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Schlauchpaket mit einer Zusatzschaltung nach Anspruch 18.

Thermische Fügeverfahren nutzen Energie, um die Werkstücke aufzuschmelzen und sie zu verbinden. Neben Elektrodeprozessen (E-Hand) werden in der Metallverarbeitung standardmäßig vor allem „MIG-“ und „MAG-Schweißprozesse“ („MSG-Prozesse“) sowie „WIG“- und „Plasma“- Lichtbogenprozesse mit deren Laserhybridverfahren eingesetzt. Auch Schneidbrenner auf Basis von Plasma und Plasmahybrid sind Ziel der Erfindung ebenso wie Prozesse, bei denen Heißdraht zugeführt wird, was folglich neben den genannten Prozessen auch Laserstrahlprozesse umfasst.

Bei schutzgasunterstützten Lichtbogenschweißverfahren mit abschmelzender Elektrode (MSG) steht „MIG“ für „Metall-Inertgas“, und „MAG“ für „Metall-Aktivgas“. Bei schutzgasunterstützten Lichtbogenschweißverfahren mit nicht-abschmelzender Elektrode (WSG) steht „WIG“ für „Wolfram-Inertgas“. Die erfindungsgemäßen Schlauchpakete können bei maschinengeführten Schweiß- oder Schneidbrennern ausgeführt sein, welche an einem Roboterarm angeordnet sind. Denkbar sind aber auch manuelle oder automatisierte Brenner.

Im Allgemeinen erzeugen Lichtbogenschweißvorrichtungen zum Aufschmelzen des Schweißgutes einen Lichtbogen zwischen dem Werkstück und einer abschmelzenden oder nicht abschmelzenden Schweißelektrode. Das Schweißgut sowie die Schweißstelle werden von einem Schutzgasstrom gegenüber den Atmosphärengasen abgeschirmt.

Dabei ist die Schweißelektrode an einem Brennerkörper eines Schweißbrenners vorgesehen, der mit einem Lichtbogenschweißgerät verbunden ist. Der Brennerkörper enthält gewöhnlich eine Gruppe von innenliegenden, schweißstromführenden Bauteilen, die den Schweißstrom von einer Schweißstromquelle in dem Lichtbogenschweißgerät zur Spitze des Brennerkopfes auf die Schweißelektrode leiten, um dann von dort aus den Lichtbogen zum Werkstück zu erzeugen.

Der Schutzgasstrom umströmt die Schweißelektrode, den Lichtbogen, das Schweißbad und die Wärmeeinflusszone am Werkstück und wird diesen Bereichen dabei über den Brennerkörper des Schweißbrenners zugeführt. Eine Gasdüse leitet den Schutzgasstrom zum Vorderende des Brennerkopfes, wo der Schutzgasstrom etwa ringförmig um die Schweißelektrode aus dem Brennerkopf austritt.

Der zum Schweißen erzeugte Lichtbogen erhitzt während des Schweißvorgangs das zu schweißende Werkstück sowie gegebenenfalls zugeführtes Schweißgut, so dass diese aufgeschmolzen werden.

Neben dem Schweißen kommt auch das Löten in Betracht, um Blechbauteile zu verbinden. Anders als beim Schweißen wird dabei nicht das Werkstück, sondern nur der Zusatzwerkstoff geschmolzen. Der Grund dafür ist, dass beim Löten zwei Kanten durch das Lot als Zusatzwerkstoff miteinander verbunden werden. Die Schmelztemperaturen des Lotwerkstoffes und der Bauteilwerkstoffe liegen weit auseinander, weshalb bei der Bearbeitung nur das Lot schmilzt. Zum Löten eignen sich neben WIG-, Plasma- und MIG- Brennern auch LASER. Die Lichtbogen-Lötprozesse können im Metallschutzgas-(MSG-L)- und Wolfram-Schutzgas-(WSG-L)-Lötprozesse unterteilt werden. Als Zusatzwerkstoff werden hierbei überwiegend drahtförmige Kupferbasis- Werkstoffe eingesetzt, deren Schmelzbereiche niedriger sind, als die der Grundwerkstoffe. Das Prinzip des MSG-Lichtbogenlötens ist gerätetechnisch weitgehend identisch mit dem MSG-Schweißen mit drahtförmigem Zusatzwerkstoff.

Beim Löten oder Schweißen, wie beispielsweise beim elektrischen Lichtbogenschweißen von Metallen, entstehen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und der Verunreinigung der zu schweißenden oder zu lötenden Materialien mehr oder weniger große Mengen an teilweise gesundheitsschädlichen Abgasen oder Rauchen, welche nicht nur die Sicht zur Schweiß- oder Lötstelle beeinträchtigen, sondern auch beim Benutzer der Schweiß- oder Lötvorrichtung gesundheitliche Schäden hervorrufen können, da Augen und Atmungsorgane gereizt werden. Entsprechend wurden in der Praxis bereits verschiedene Vorrichtungen und Verfahren entwickelt, welche eine Absaugung der Abgase möglichst nahe an ihrer Entstehungsstelle am Brenner ermöglichen.

Die WO 2006/042572 A1 beschreibt ein Sensormittel zum Abfühlen der Lage und/oder von Lageänderungen des Brenners, wodurch wenigstens eine Kenngröße des Füge-, Trenn- oder Oberflächenbehandlungsverfahrens, insbesondere des Schweißverfahrens, in Abhängigkeit von der abgefühlten Lage und/oder Lageänderungen beeinflussbar ist.

Aus der WO 2013/166247 A1 sind Systeme und Verfahren zum automatischen Regeln des durch eine Schweißrauchpistole gesaugten Rauchstroms bekannt. Die Vorrichtung weist ein Vakuumsystem auf, das zum Ansaugen eines Vakuumrauchflusses durch einen internen Durchgang einer Schweißrauchpistole konfiguriert ist. Ferner ist ein Sensor zur Messung es Vakuumdampfflusses vorgesehen. Bei schutzgasunterstützten Lichtbogenschweißverfahren mit abschmelzender Elektrode ist in sogenannten Drahtvorschubeinrichtungen wenigstens ein Antriebselement vorgesehen, welches mit einer Anpresskraft an dem zu fördernden Draht bzw. an der zu fördernden Drahtelektrode anliegt und gleichzeitig eine Vorschubbewegung darauf überträgt.

Falls der Anpressdruck bzw. die Anpresskraft zu gering ist, kann es zu sogenanntem Schlupf zwischen dem Antriebselement und dem Draht bzw. der Drahtelektrode kommen. Das Auftreten von Schlupf ist jedoch unter allen Umständen zu vermeiden, da dieser dazu führen würde, dass zu wenig Material der abschmelzenden Drahtelektrode am vorderen Ende des Schweiß- oder Lötbrenners in den Schmelzbereich eintreten würde.

Der Schlupf ist auch abhängig von der Vorschubgeschwindigkeit mit der der Draht vorangetrieben wird. Für den Fall, dass diese Geschwindigkeit zu hoch ist, kann es ebenfalls zu ungewolltem Schlupf kommen. Aus diesem Grund kann die Geschwindigkeit eines vorbewegten Gegenstandes, insbesondere eines Drahtes taktil oder berührungslos gemessen werden.

Aus der DE 10 2008 039 025 A1 und der EP 2 159 536 A2 ist ein Verfahren zum berührungslosen Messen der Geschwindigkeit und/oder der Länge eines in Längsrichtung bewegten Strangs mittels Sensoren bekannt.

Aus der EP 1 352 698 A1 ist eine Drahtvorschubvorrichtung für Schweißanlagen mit einer Vorrichtung zum Messen der Drahtgeschwindigkeit bekannt. Eine Lichtquelle beleuchtet einen Abschnitt des Drahtes. Ein CCD-Sensor ist auf die Oberfläche des Drahtes gerichtet und erfasst die Textur auf der Drahtoberfläche.

Zur Kühlung eines Griffs des Schweiß- oder Schneidbrenners und/oder eines Griffinnenraums, insbesondere des gesamten Griffinnenraums, des Schweiß- oder Schneidbrenners und/oder eine Gasdüse außerhalb des lichtbogenseitigen Gasdüseninnenraumes ist eine Fördervorrichtung, insbesondere ein Lüfter oder ein Verdichter, welche die Umgebungsluft als Kühlungsluft durch mindestens einen Kühlkanal des Schweiß- oder Schneidbrenners fördert, aus der EP 2 666 576 B1 bekannt.

Aus der EP 3 235 105 B1 ist ein System zum Abzweigen von Energie aus einem Schweißkabel bekannt. Eine Energiegewinnungsvorrichtung ist in der Nähe des Schweißkabels positioniert und konfiguriert, um induktiv elektrische Energie aus dem Schweißkabel zu erlangen. Das Energiegewinnungssystem weist auch einen Gleichrichter auf, der elektrisch mit der Energiegewinnungsvorrichtung gekoppelt und konfiguriert ist, um die vom Schweißkabel gewonnene elektrische Energie in einen elektrischen Gleichstrom umzuwandeln. Aus diesem Stand der Technik geht also explizit eine induktiv gekoppelte Zusatzschaltung hervor, welche nicht an dem Schweißkabel für einen direkten ohmschen Kontakt oder eine galvanische Kopplung befestigt ist. Nachteilig bei solchen induktiv gekoppelten Zusatzschaltungen ist, dass nur dann elektrische Energie aus dem Schweißstromkabel entzogen werden kann, wenn sich das Magnetfeld um das Schweißstromkabel ändert. Hierzu sind Stromrippel bzw. Stromänderungen zwingend notwendig.

Aus der US 2018/0021873 A1 ist eine Schweißvorrichtung mit einer Stromleitungskommunikation bekannt. Die Stromversorgung ist mit einer Schweißsteuervorrichtung gekoppelt, die es einem Bediener ermöglichen soll, Schweißprozesse und -einstellungen von einem entfernten Ort in Bezug auf die Stromversorgung auszuwählen. Diese Schweißsteuervorrichtung versorgt eine oder mehrere Hilfsvorrichtungen in der Nähe der Schweißnaht mit Strom und ist über eine Hilfsleitung mit der Stromquelle verbunden.

Die DE 20 2019 001 241 U1 betrifft eine Überspannungsschutzschaltung mit Ausfallanzeige. Bei den oben beschriebenen Sensoren bzw. Sensormitteln zum Abfühlen der Lage und/oder von Lageänderungen des Brenners oder den Sensoren zur Messung der Geschwindigkeit und/oder Länge des Drahtes oder den Sensoren zur Messung des Vakuumdampfflusses sowie auch dem Lüfter zum Kühlen oder Antriebe für die Fortbewegung des Drahtes handelt es sich um sogenannte Peripheriegeräte.

Bei bekannten Schweiß- oder Schneidvorrichtungen können zusätzliche Verbraucher, insbesondere auch Displays und Taster, zum einen mittels stromquellenspezifischer Anschlüsse versorgt werden, wie beispielsweise mit sogenannten Busleitungen, die in den stromquellenherstellerspezifischen Schlauchpaketanschluss integriert sind. Nachteilig hierbei ist, dass Stromquellenhersteller diese Anschlüsse gegenüber Dritten in der Regel nicht öffnen, um somit einen Austausch von Komponenten, insbesondere Schlauchpaketen, durch den Anwender zu verhindern.

Zum anderen ist ein Abzweigen der Energie aus offenliegenden Leitungen in der Stromquelle, insbesondere des Drahtantriebsmotors denkbar. Nachteilig hierbei ist es allerdings, dass solche Gehäuse verschlossen sind, um Verschmutzungen zu verhindern und um den Sicherheitsanforderungen zu genügen, aber auch um einen Energieabgriff von außen zu verhindern.

Ferner ist ein separater Versorgungsanschluss an der Stromquelle, beispielsweise mittels eines USB-Anschlusses denkbar. Allerdings verfügen nur wenige Stromquellen über solche Anschlüsse, welche dann in der Regel vornehmlich zum Datenaustausch gedacht sind.

Eine separate Energieversorgung mit einem Netzteil hat den Nachteil, dass zum einen dann ein weiteres Netzteil notwendig ist, und dass die Netzteile in der Regel Einphasen- und nicht Dreiphasenwechselstrom verwenden, der insbesondere in Werkstätten und auf Baustellen nicht überall verfügbar ist. Weiterhin existieren eine Vielzahl länderspezifische Anschlüsse.

Eine besondere Herausforderung besteht weiterhin darin, eine Energie versorgung bereitzustellen, die unabhängig vom Schweißprozess gesteuert werden kann. Zwar ist eine Speicherung von Energie in Batterien oder Akkumulatoren oder Kondensatoren denkbar, allerdings können bei Batterien oder Akkumulatoren als Energiespeicher für Peripheriegeräte mögliche Transportprobleme aufgrund spezieller Sicherheitsanforderungen und auch generelle Umwelt- und Entsorgungsfragen nachteilig sein.

Ausgehend von den zuvor beschriebenen Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine autarke Energieversorgung für Peripheriegeräte bereitzustellen, die in die Prozessversorgungsleitung integriert ist und die den Lichtbogenprozess nicht in einer signifikanten Weise beeinflusst.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Zusatzschaltung für Prozessversorgungsleitungen eines Schweißbrenners oder Schneidbrenners nach Anspruch 1 .

Darüber hinaus wird die Aufgabe gelöst mit einem Schlauchpaket mit einer Zusatzschaltung nach Anspruch 18.

Die Erfindung betrifft eine Zusatzschaltung für Prozessversorgungsleitungen eines Schweißbrenners oder Schneidbrenners m it wenigstens einer daran angeordneten Anschlusseinrichtung an eine Schweißstromquelle, wobei über die Anschlusseinrichtung und über, vorzugsweise in einem Schlauchpaket des Schweißbrenners oder Schneidbrenners geführten Versorgungsleitungen elektrische Energie und weitere Medien zum Schweiß oder Schneidbrenner geführt sind. Erfindungsgemäß ist von wenigstens einer elektrischen Prozessversorgungsleitung elektrische Energie zum Betreiben eines Peripheriegerätes, wie beispielsweise eines Sensors, einer Antriebseinheit oder eines Lüfters abgezweigt.

Mit anderen Worten schlägt die Erfindung eine autarke Energieversorgung ohne physischen Anschluss an stromquellenspezifische Anschlüsse vor. Es kann sich insbesondere um einen parallel geschalteten elektrischen Stromkreis handeln, welcher ein hoch variables Eingangssignal, was Polarität, Spannung und Dynamik angeht, verarbeiten kann, insbesondere können Frequenzen für Strom und/oder Spannung von Gleichstromprozessen (DC), Gleichstrom-Pulsprozesse (DC-Pulsen) bis 20 kHz sowie Wechselstromprozesse (AC) im Bereich von unter 50 Hz bis 200 Hz verarbeitet werden.

Alternativ kann der Stromkreis in einem vereinfachten Aufbau auf spezifische Eingangssignale, insbesondere die bei MSG-Anwendungen dominierenden DC-Prozesse, angepasst werden. Diese Ausführungsform kann weiterhin auch bei sogenannten Heißdrahtprozessen eingesetzt werden, die vor allem bei WIG- und Plasma- aber auch bei Laserprozessen eingesetzt werden, um zusätzliche Energie einzubringen.

Die am Schlauchpaket vorgesehene Anschlusseinrichtung dient zur elektrischen und mechanischen Kontaktierung des Schlauchpakets mit der Schweißstromquelle. Im Schlauchpaket sind die

Prozessversorgungsleitungen zum Führen der elektrischen Energie und weiterer Medien, wie Schutzgas oder Schweißdraht, zum Schweiß- oder Schneidbrenner angeordnet. Wenn das Schlauchpaket elektrisch mit der Schweißstromquelle verbunden wird, ist demnach ein elektrischer Stromkreis über den Lichtbogen, den Brenner mit Schlauchpaket und das Massekabel bzw. die Masseleitung geschlossen. Ferner ist es bei der Erfindung vorteilig, dass dieser Prozessstromkreis nicht geschlossen werden braucht, um über die erfindungsgemäße Zusatzschaltung elektrische Energie zum Betreiben des Peripheriegerätes abzuzweigen. Es genügt stattdessen, dass Spannung für den Prozessstromkreis anliegt - dies passiert insbesondere beim Prozessstart, bei dem bereits ab dem Moment der Drahtförderung Spannung anliegt, ohne dass der Prozessstromkreis geschlossen ist, da der Draht noch nicht das Werkstück berührt oder auch der Lichtbogen noch nicht brennt.

Diese Energieversorgung kann für Peripheriegeräte verwendet werden, wie beispielsweise Drahtantriebe und deren Steuerungen, Sensoren, insbesondere Temperatursensoren oder Gyrosensoren, oder Kommunikationseinheiten, wie Bluetooth-Sender oder -Empfänger, WLAN- Geräte oder LED-Beleuchtung oder Luftmassensensor oder dergleichen.

Darüber hinaus ist auch die Versorgung von Lüftern möglich - zum einen zur Kühlung, insbesondere als sogenannte Zwangsluftkühlung, und zum anderen auch von Lüftern für die Rauchabsaugung bei Schweißanwendungen.

Wie erwähnt, können Antriebe mit dieser Versorgung betrieben werden, da die Leistung der autarken Energieversorgung auch hierfür ausreicht.

Darüber hinaus ist auch die Versorgung entsprechender Antriebssteuerungen eine naheliegende und sinnvolle Anwendung. Die für die Antriebe notwendige Leistung kann bei bis zu 100W liegen.

Derartige Peripheriegeräte stellen hohe Anforderungen an die Geschwindigkeit der Schaltung, insbesondere soll eine Reaktionszeit von weniger als 50ms gewährleistet sein. Mit anderen Worten wird die Leistung des abgezweigten Stromkreises sofort benötigt. Die erfindungsgemäße Schaltung gewährleistet dies. In der Regel reicht die Leerlaufspannung des Netzteils der Schweißvorrichtung schon aus, um eine genügend hohe Leistung für die Peripheriegeräte bereit zu stellen. Oftmals ist die Leerlaufspannung auf 1 13V bzw. 141 V begrenzt.

Die meisten Peripherieeinrichtungen weisen einen gewissen Zeitverzug zwischen Anlegen der Spannung und Reaktion der Peripherieeinrichtung auf. Von Vorteil ist in der praktischen Nutzung insbesondere bei MSG- Anwendungen aber, dass beim Starten zunächst Draht einige mm bis zum Auftreten eines Kurzschlusses gefördert wird. Während dieser Zeit liegt bereits Spannung an. Folglich kann die Parallelschaltung bereits Energie abzweigen, wodurch Steuerungen gestartet und Antriebe angefahren werden, auch wenn der Schweißprozess noch nicht läuft.

Auch ist die erfindungsgemäße Schaltung kompakter als bekannte Stromquellen, da kein weiteres Netzteil und keine zusätzlichen Leitungen für Peripheriegeräte notwendig sind.

Darüber hinaus ist die Schaltung sehr variabel einsetzbar, d.h. sie ist an einer Vielzahl verschiedener Stromquellen, insbesondere an zahlreichen unterschiedlichen Netzteilen von Schweißvorrichtungen betreibbar, da der Schweißstrom an der Schweißstelle in der Regel stets gleich ist. Die Spannung beim Betrieb des Schweißbrenners kann etwa 30V bei 300A betragen.

Um mit der Zusatzschaltung eine Leistung von beispielsweise 30 W bereit zu stellen, die zur Versorgung einer Drahtantriebseinheit in einem Handbrenner in der Regel ausreichend ist, muss entsprechend nur ein Strom von 1 A durch die Parallelschaltung fließen. In Messungen zeigten sich zum Teil sogar noch deutlich niedrigere Werte, etwa im Bereich von 0,3 bis 0,5 A. Dieser Stromfluss steht dem Lichtbogen entsprechend nicht zur Verfügung, allerdings liegt die absolute Höhe des Stromflusses im Bereich normaler Prozessschwankungen bei Lichtbogenprozessen und beeinflusst weder die Prozessstabilität noch die Prozessregelung in relevanter Weise. Somit kann die Zusatzschaltung eingesetzt werden, ohne dass Parameteranpassungen für den Schweißprozess bzw. Änderungen der Parametervorgaben in Schweißanweisungen, sogenannte WPS, vorgenommen werden müssen.

Erfindungsgemäß ist die für die Abzweigung der elektrischen Energie vorgesehene Zusatzschaltung elektrisch parallel und vorzugsweise galvanisch gekoppelt zum Schweißstromkreis, insbesondere zur Prozessversorgungsleitungangekoppelt. Unter dem Schweißstromkreis ist der Stromkreis zu verstehen, welcher zwischen dem Schweißbrenner mit Lichtbogen, dem Schlauchpaket und der Masseleitung der Schweißvorrichtung gebildet ist.

Im Gegensatz zu Zusatzschaltungen, welche auf einem induktiven Wirkprinzip beruhen, funktioniert die erfindungsgemäße Zusatzschaltung aufgrund der galvanischen Kopplung bzw. dem direkten ohmschen Kontakt hingegen auch bei einem perfekten Gleichstrom, da zur Energieerzeugung keine Änderung des magnetischen Flusses erforderlich ist.

Die aus dem Stand der Technik bekannten induktiv gekoppelten Zusatzschaltungen sind an dem Schweißkabel nicht für einen direkten ohmschen Kontakt oder eine galvanische Kopplung befestigt. Die induktiv gekoppelte Zusatzschaltung unterscheidet sich von der Parallelschaltung mit galvanischer Kopplung in ihrem physikalischen Wirkprinzip, da sie nur dann aus dem Schweißstromkabel elektrische Energie entziehen kann, wenn sich das Magnetfeld um das Schweißstromkabel ändert.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Parallelschaltung sind Welligkeitseffekte dagegen nicht notwendig, da keine Änderung des magnetischen Flusses erforderlich ist. Mittels der Parallelschaltung mit direktem ohmschen Kontakt bzw. galvanischer Kopplung kann auch bei einem perfekten Gleichstrom elektrische Energie zurückgewonnen werden.

Es kann vorgesehen sein, dass die Zusatzschaltung in ein erweitertes maschinenseitiges Anschlussgehäuse integriert wird. Dies ist vorteilhaft, da dieses Gehäuse ohnehin zur Medienübergabe, etwa von Draht, Gas, Wasser und Signalen, notwendig ist und auch die Energieversorgung über das Peripheriegerät erfolgt.

Alternativ ist es denkbar, dass die Zusatzschaltung in einem separaten Adapter integriert ist. Dies wird vorzugsweise in der elektrischen Masseleitung eingesetzt, da in dieser lediglich elektrischer Strom fließt, im Gegensatz zur Schlauchpaketleitung also keine weiteren Medien wie Gas, Draht oder Wasser übergeben werden. Damit ist die Umsetzung auf dieser Seite einfacher, wenngleich auch auf der Schlauchpaketseite prinzipiell möglich.

Mit anderen Worten könnte ein solcher Adapter auch in den maschinenseitigen Brenneranschluss integriert sein. Ferner ist auch ein separater, d.h. nicht in das Schlauchpaket integrierter Adapter denkbar.

Dies ist möglich, wenn neben dem Plus- und Minuspol für den Schweißstromkreis weitere potenzialgleiche Anschlussmöglichkeiten an der Schweißstromquelle vorhanden sind. Insbesondere bei den Masseanschlüssen, meist der Minuspol, besteht sehr häufig eine Anschlussmöglichkeit an Vorder- und Rückseite der Vorrichtung, zum Teil verfügen die Schweißstromquellen aber auch über eine weitere Anschlussmöglichkeit, die potenzialgleich mit dem brennerseitigen Anschluss ist, also meist dem Pluspol.

Nach einer weiteren vorteilhaften Variante weist die Zusatzschaltung einen Gleichrichter, insbesondere einen Brückengleichrichter zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung auf. Mit der erfindungsgemäßen Schaltung sind sowohl ein Gleich- (DC), als auch ein Wechselspannungsbetrieb (AC) und Pulsbetrieb (DC und AC) möglich.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann alternativ auch auf den Gleichrichter in der Schaltung verzichtet werden, wodurch die Schaltung ausschließlich zur Nutzung bei DC-Prozessen eingesetzt werden kann. In diesem Fall ist eine Verpolungsschutzvorrichtung vorgesehen, wobei mittels wenigstens eines Transistors, einer Diode, insbesondere Zenerdiode, und wenigstens eines elektrischen Widerstands ein Verpolungsschutz realisiert wird. Damit liefert die Schaltung bei korrektem Anschluss und somit richtiger Verpolung die notwendige elektrische Energie. Bei falschem Anschluss der Pole wird dementsprechend keine elektrische Energie freigegeben, die Schweißvorrichtung wird aber auch nicht beschädigt. In der Regel wird brennerseitig positiv gepolt. Es kann vorgesehen sein, dass dem Benutzer eine Störung signalisiert wird. Insbesondere ist es denkbar, dass es sich hierbei um ein optisches Signal handelt, beispielsweise um eine Lampe, welche mittels einer optischen Anzeigevorrichtung in die Zusatzschaltung integriert ist. Im Rahmen der Erfindung ist es alternativ oder zusätzlich auch denkbar, dass eine fehlerhafte Verpolung m ittels einer akustischen Signalvorrichtung signalisiert wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Zusatzschaltung einen schaltenden Gleichspannungswandler, insbesondere einen Abwärtswandler auf, wobei die Ausgangsspannung des Wandlers vom Betrag der Eingangsspannung des Wandlers abweichen kann. Der Abwärtswandler wird auch Tiefsetzsteller, Abwärtsregler, bzw. in englischer Sprache „step-down Converter“ oder „buck Converter“ genannt. Aufgrund dieses Abwärtswandlers können die bei Schweißvorrichtungen üblichen Spannungs- und Stromwerte verarbeitet werden. Diese Werte sind beispielsweise 20V/100A bis 30V/300A im Prozess bei Stahlschweißungen und 1 13V bzw. 141 V im Leerlauf. Insbesondere kann die Ausgangsspannung bei konstant 48V und damit über der Prozessspannung liegen. Ferner sind auch andere Wandlerformen möglich, wie die Reihenschaltung von Aufwärtswandler und Abwärtswandler oder auch Spannungswandler mit Weitbereichseingang.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Eingangsspannung für den Gleichspannungswandler die vom Gleichrichter ausgegebene Gleichspannung. Generell kann der Gleichspannungswandler nur mit positiver DC-Spannung betrieben werden. Daher ist eine Gleichrichtung von AC bzw. negativen Spannungen erforderlich. Weitere Vorteile sind ein Verpolungsschutz und der Betrieb mit AC-Spannung. Durch den Gleichrichter wird verhindert, dass die Ladung aus den Kondensator/ Energiespeicher zurück in den Schweißprozess fließt.

Es kann vorgesehen sein, dass die Zusatzschaltung wenigstens eine Überstromschutzeinrichtung, d.h. Sicherungen zum Unterbrechen des elektrischen Stromes bei Überschreitung einer festgelegten Stromstärke über eine vorgegebene Zeit hinaus aufweist, insbesondere bei elektrischem Kurzschluss oder Überlastung.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Zusatzschaltung eine Induktivität, insbesondere eine Spule zum Dämpfen von Spannungsspitzen der Schweißstromquelle auf, die beispielsweise dem hochfrequenten „metallurgischen“ Pulsen, beispielsweise Pulse im kHz- Bereich, auftreten können.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Zusatzschaltung wenigstens einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen Kondensator oder einen Akkumulator oder eine Batterie, zum Speichern von elektrischer Ladung in einem elektrischen Feld auf, vorzugsweise ist der Energiespeicher zum Speisen des Gleichspannungswandlers mit elektrischer Energie und/oder zur Stabilisierung der Spannung der Zusatzschaltung vorgesehen. Insbesondere bei Peripherieeinrichtungen, wie Steuerungen für Antriebe, ist ein Energiespeicher vorteilhaft, da deren Kapazität zur Versorgung von elektronischen Steuerungen und auch zum Betreiben der Antriebe nach dem Abschalten des Prozessstroms ausreicht. Weiterhin ist es möglich, Energie für den nachfolgenden Prozess zu speichern und damit die Anfangsverzögerung weiter zu minimieren.

Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung weist die Zusatzschaltung eine Suppressordiode zum Schutz der Zusatzschaltung, insbesondere des Gleichspannungswandlers, vor ungewünschten Spannungsspitzen auf.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein zusätzlicher Energiepuffer, insbesondere ein Superkondensator zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie vorgesehen. Vorteilig bei Schaltungen mit Kondensatoren ist die Ladegeschwindigkeit, wobei die Kondensatoren bei gleichem Volumen wie Akkumulatoren eine deutlich höhere Ladegeschwindigkeit aufweisen. Allerdings können Standardkondensatoren bei Kurzzeitanwendungen noch immer zu langsam sein, weshalb Super- Kondensatoren zu Anwendung kommen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind dem Gleichspannungswandler die Überstromschutzeinrichtungen und die Induktivität vorgeschaltet. Als Überstromschutzeinrichtung kann eine Sicherung zur Abschaltung im Fehlerfall und/oder PolyFuse-Sicherungen zur Abschaltung bei Überlastungen vorgeschaltet werden. Die Induktivität dient vor allem zur Reduzierung der Stromspitzen beim Einschalten sowie bei Laständerungen, insbesondere Kurzschlüssen und deren Auflösung.

Eine weitere Variante der Erfindung sieht vor, dass dem Gleichspannungswandler der Gleichrichter sowie der wenigstens eine Energiespeicher und die Suppressordiode vorgeschaltet sind. Hierbei dient der Gleichrichter dem Schutz vor negativen Spannungen und Verpolung. Transversaldioden (TVS) dienen wiederum dem Schutz vor hohen Spannungsspitzen. Kondensatoren stabilisieren die Spannung insbesondere durch Filterung von Spannungsspitzen.

In einer Weiterbildung ist dem Gleichspannungswandler wenigstens ein Energiespeicher nachgeschaltet. Grundsätzlich dienen Energiespeicher dem Sicherstellen eines sicheren Zustandes beim Abschalten, was insbesondere eine finale Drahtbewegung auf Positionsfahrt, das Fierunterfahren von Steuerungen und auch Datensicherungen umfasst.

Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Dabei zeigen zum Teil schematisch:

Figur 1 eine Zusatzschaltung eines Schweiß- oder Schneidbrenners zum Abzweigen elektrischer Energie mit einem Schlauchpaket und mit einer Schweißstromquelle in einer ersten Ausführungsform,

Figur 2 die Zusatzschaltung gemäß Figur 1 in einer zweiten

Ausführungsform,

Figur 3 einen Schweißbrenner mit Sensor,

Figur 4 einen Schaltplan der Zusatzschaltung, Figur 5 den Schaltplan gemäß Figur 4 mit einem Speicher für elektrische Energie,

Figur 6 einen Schaltplan für eine weitere Ausführungsform,

Figur 7 einen Schaltplan gemäß Figur 6 mit einem Speicher für elektrische Energie,

Figur 8 einen Schaltplan für eine weitere Ausführungsform der

Zusatzschaltung mit optischer Verpolungsanzeige und

Figur 9 einen Schaltplan gemäß Figur 8 mit einem Speicher für elektrische Energie.

Gleiche oder gleichwirkende Bauteile werden in den nachfolgend dargestellten Figuren der Zeichnung anhand einer Ausführungsform mit Bezugszeichen versehen, um die Lesbarkeit zu verbessern.

Aus Figur 1 geht in einer schematischen Darstellung eine Zusatzschaltung 10 eines Schweißbrenners oder Schneidbrenners 21 mit wenigstens einer daran angeordneten Anschlusseinrichtung 1 an eine Schweißstromquelle 2 hervor. Die Anschlusseinrichtung 1 kann insbesondere zwei Pole - Plus und Minus - aufweisen, welche bei Wechselspannung (AC) Ihre Vorzeichen ändern können. Über die Anschlusseinrichtung 1 und über Prozessversorgungsleitungen 3 in einem Schlauchpaket 6 sind elektrische Energie und weitere Medien zum Schweiß- oder Schneidbrenner 21 geführt.

Die am Schlauchpaket 6 vorgesehene Anschlusseinrichtung 1 dient zur elektrischen und mechanischen Kontaktierung des Schlauchpakets 6 mit der Schweißstromquelle 2. Im Schlauchpaket 6 sind die Versorgungsleitungen 3 zum Führen der elektrischen Energie und weiterer Medien, wie Schutzgas oder Schweißdraht, zum Schweiß- oder Schneidbrenner 21 angeordnet. Nach der elektrischen Verbindung des Schlauchpakets 6 mit der Schweißstromquelle 2 ist demnach ein elektrischer Stromkreis, der Schweißstromkreis, geschlossen. Von diesem Stromkreis wird elektrische Energie zum Betreiben eines Peripheriegerätes 4 abgezweigt.

Von wenigstens einer elektrischen Prozessversorgungsleitung 3 ist elektrische Energie zum Betreiben des Peripheriegerätes 4 abgezweigt. Für die Abzweigung der elektrischen Energie ist die Zusatzschaltung 10 im vorliegenden Ausführungsbeispiel elektrisch parallel zur Schweißstromquelle 2 bzw. zum Schweißstromkreis angekoppelt, wie aus den Figuren 1 und 2 hervorgeht. Unter dem Schweißstromkreis ist der Stromkreis zu verstehen, welcher zwischen dem Schweißbrenner mit Lichtbogen, dem Schlauchpaket und der Masseleitung der Schweißvorrichtung gebildet ist.

Es handelt sich insbesondere um einen parallel geschalteten elektrischen Stromkreis, welcher ein hoch variables Eingangssignal, was Polarität, Spannung und Dynamik angeht, verarbeiten kann. Es können Strom- und/oder Spannungsfrequenzen im Bereich von Gleichstrom (in beide Richtungen), gepulstem Gleichstrom bis 200 kHz Pulsfrequenz oder Wechselstrom bis 200 Hz verarbeitet werden.

Die Zusatzschaltung 10 zum Abzweigen von elektrischer Energie kann einerseits im Schlauchpaket 6 vorgesehen sein, insbesondere kann die Zusatzschaltung 10 in ein erweitertes maschinenseitiges, d.h. Schweißstromquellen-seitiges, Anschlussgehäuse 22 integriert sein. Dies ist vorteilhaft, da dieses Gehäuse 22 ohnehin zur Medienübergabe notwendig ist und auch die Energieversorgung über das Peripheriegerät 4 erfolgt.

Diese Ausführungsform verdeutlicht Figur 1 . Hierbei ist die Zusatzschaltung 10 an dem Ende des Schlauchpakets 6 angeordnet, welches dem Brenner 21 gegenüberliegt.

Andererseits kann die Zusatzschaltung 10 mittels Prozessversorgungsleitungen auch außerhalb des Schlauchpakets 6 angeschlossen sein, wie Figur 2 zeigt. Hierbei ist die Zusatzschaltung 10 in einen Adapter 20 integriert. Dies wird vorzugsweise in der elektrischen Masseleitung umgesetzt, da in dieser lediglich elektrischer Strom fließt, im Gegensatz zur Schlauchpaketleitung aber keine weiteren Medien, wie Gas, Draht oder Wasser. Im Gegensatz zu Schaltungen aus dem Stand der Technik beruht die erfindungsgemäße Zusatzschaltung 10 nicht auf einem induktiven Wirkprinzip, sondern auf einem direkten ohmschen Kontakt bzw. einer galvanischen Kopplung.

Bei den Peripheriegeräten 4 kann es sich beispielsweise um Sensoren 5, insbesondere Temperatursensoren oder Gyrosensoren, oder Kommunikationseinheiten, wie Bluetooth-Sender oder -Empfänger, WLAN- Geräte oder Drahtantrieb oder dergleichen handeln. Figur 3 zeigt einen Schweißbrenner 21 mit einem Sensor 5.

Darüber hinaus ist auch die Versorgung von Lüftern möglich, beispielsweise für die Rauchabsaugung bei Schweißanwendungen.

Denkbar ist aber auch, Antriebseinheiten 19 mit dieser Versorgung zu betreiben, da die Leistung der autarken Energieversorgung auch hierfür ausreicht. Aus den Figuren 1 und 2 geht ein solcher Antrieb 19 hervor.

Derartige Peripheriegeräte 4 stellen hohe Anforderungen an die Geschwindigkeit der Schaltung, insbesondere soll eine Reaktionszeit von weniger als 50 ms gewährleistet sein. Die erfindungsgemäße Zusatzschaltung 10 zum Abzweigen von elektrischer Energie gewährleistet das. In der Regel reicht die Leerlaufspannung der Schweißstromquelle 2 aus, um eine genügend hohe Leistung für die Peripheriegeräte 4 bereit zu stellen. In der Regel ist die Leerlaufspannung 1 13 V bzw. 141 V.

Aus den Darstellungen der Schaltpläne der elektrischen Schaltung gemäß Figur 4 und 5 geht hervor, dass die Zusatzschaltung 10 einen Gleichrichter 7, insbesondere einen Brückengleichrichter zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung aufweist. Ferner ist ein schaltender Gleichspannungswandler 8, insbesondere ein Abwärtswandler vorgesehen, wobei die Ausgangsspannung des Wandlers 8 kleiner ist, als der Betrag der Eingangsspannung des Wandlers 8. Der Abwärtswandler wird auch Tiefsetzsteller, Abwärtsregler, bzw. in englischer Sprache „step-down Converter“ oder „buck Converter“ genannt.

Aufgrund dieses Abwärtswandlers können die bei Schweißvorrichtungen üblichen Spannungs- und Stromwerte verarbeitet werden. Diese Werte sind beispielsweise 20 V/100 A bis 30 V/300 A und 1 13 V bzw. 141 V bei Leerlauf.

Alternativ zum Abwärtswandler kann auch ein DC/DC-Wandler mit Weitbereichseingang und konstanter Ausgangsspannung verwendet werden.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Eingangsspannung für den Gleichspannungswandler 8 die vom Gleichrichter 7 ausgegebene Gleichspannung, so dass mit der erfindungsgemäßen Zusatzschaltung 10 sowohl ein Gleich- (DC), als auch ein Wechselspannungsbetrieb (AC) möglich sind.

Die Zusatzschaltung 10 weist wenigstens eine Überstromschutzeinrichtung 1 1 , 12 zum Unterbrechen des elektrischen Stromes bei Überschreitung einer festgelegten Stromstärke über eine vorgegebene Zeit hinaus auf. Diese Überstromschutzreinrichtungen 1 1 , 12 reagieren insbesondere auf elektrischen Kurzschluss oder Überlastung der Zusatzschaltung 10.

Wie ebenfalls den Figuren 4 und 5 zu entnehmen ist, weist die Zusatzschaltung 10 eine Induktivität 9 zum Dämpfen von Spannungsspitzen der Schweißstromquelle auf und es ist wenigstens ein elektrischer Energiespeicher 13, 14, 15, 16 zum Speisen des Gleichspannungswandlers 8 mit elektrischer Energie und/oder zur Stabilisierung der Spannung der Zusatzschaltung 10 vorgesehen.

Darüber hinaus weist die Zusatzschaltung 10 eine Suppressordiode 17 zum Schutz des Gleichspannungswandlers 8 vor ungewünschten Spannungsspitzen auf.

Wie ebenfalls den Figuren 4 und 5 zu entnehmen ist, sind dem Gleichspannungswandler 8 die Überstromschutzeinrichtungen 1 1 , 12 und die Induktivität 9 vorgeschaltet.

Ferner sind dem Gleichspannungswandler 8 der Gleichrichter 7 sowie der wenigstens eine Energiespeicher 13, 14 und die Suppressordiode 17 vorgeschaltet.

Dem Gleichspannungswandler 8 ist wenigstens ein Energiespeicher 15, 16 nachgeschaltet.

Die Ausführungsformen gemäß Figur 4 und Figur 5 unterscheiden sich durch einen zusätzlichen Energiepuffer 18 bei der Variante gemäß Figur 5. Insbesondere kann ein Superkondensator 18 zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie vorgesehen sein.

Sobald die Zusatzschaltung 10 an die Prozessversorgungsleitungen 3 angeschlossen ist, findet eine Filterung des Eingangssignals statt. H ierbei ist es unabhängig, ob die Eingangsspannung in die Zusatzschaltung 10 eine Gleich- oder Wechselspannung ist. Denn ausgangsseitig liegt dann in jedem Fall eine Gleichspannung an. Auch werden gepulste Eingangssignale geglättet und es können hohe Spannungen bis 160 V verarbeitet werden.

Aus den Figuren 6 und 7 geht eine alternative Ausgestaltung der Zusatzschaltung 10 hervor. In dieser Alternative ist anstelle des Gleichrichters 7 in der Schaltung 10 eine Verpolungsschutzvorrichtung 23 vorgesehen. In der hier vorgestellten Ausführungsform wird mittels eines Transistors 25, einer Zenerdiode 26 und eines elektrischen Widerstands 27 ein Verpolungsschutz realisiert. Damit liefert die Schaltung bei korrektem Anschluss und somit richtiger Verpolung die notwendige elektrische Energie. In der Regel wird brennerseitig positiv gepolt. Sollte der Anwender jedoch die Verpolung vertauschen, wird bei falschem Anschluss der Pole dementsprechend keine elektrische Energie freigegeben. Es kann vorgesehen sein, dass dem Benutzer eine Störung signalisiert wird.

Eine derartige Verpolungsanzeige ist in der Ausführungsform gemäß den Figuren 8 und 9 durch eine optische Anzeigevorrichtung 28 umgesetzt. Hierbei ist eine Lampe 30 m ittels eines Widerstands 29 und einer Diode 31 in die Zusatzschaltung 10 integriert. Im Rahmen der Erfindung sind auch andere optische Anzeigen, aber auch zusätzlich oder alternativ eine akustische Signalisierung einer vertauschten Verpolung denkbar.

Die Ausführungsformen der Zusatzschaltung 10 gemäß Figur 7 und Figur 9 unterscheiden sich von der Schaltung 10 nach Figur 6 und Figur 8 dadurch, dass zusätzlich ein Energiepuffer 18 bei der Variante gemäß Figur 7 und Figur 9 vorgesehen ist. Wie bereits ausgeführt, kann insbesondere ein Superkondensator 18 zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie vorgesehen sein. Bezugszeichen liste

1 Anschlusseinrichtung

2 Schweißstromquelle

3 Prozessversorgungsleitung

4 Peripheriegerät

5 Sensor

6 Schlauchpaket

7 Gleichrichter

8 Gleichspannungswandler

9 Induktivität

10 Zusatzschaltung

1 1 Überstromschutzeinrichtung

12 Überstromschutzeinrichtung

13 Energiespeicher

14 Energiespeicher

15 Energiespeicher

16 Energiespeicher

17 Suppressordiode

18 Superkondensator

19 Antriebseinheit

20 Adapter

21 Schweiß- oder Schneidbrenner

22 Anschlussgehäuse

23 Verpolungsschutzvorrichtung

24 Masseleitung

25 Transistor

26 Zenerdiode

27 Widerstand

28 optische Anzeigevorrichtung

29 Widerstand

30 Lampe

31 Diode