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Brigham Young UniversityBYU ScholarsArchive
All Theses and Dissertations
1968-5
Design of an Automatically Controlled-Feed,Constant Current Arc Generating Machine forConsumable ElectrodesDhansukh J. ChauhanBrigham Young University - Provo
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BYU ScholarsArchive CitationChauhan, Dhansukh J., "Design of an Automatically Controlled-Feed, Constant Current Arc Generating Machine for ConsumableElectrodes" (1968). All Theses and Dissertations. 7084.https://scholarsarchive.byu.edu/etd/7084
Co 3 - ô ■ O 0 2 .
C J 9 V
D ES IG N O F AN A U T O M A T I C A L L Y C O N T R O L L E D - F E . E D , C O N S T A N T
C U R R E N T A R C G E N E R A T I N G M A C H I N E
F O R C O N S U M A B L E E L E C T R O D E S
V '
A T h e s i s
P r e s e n t e d t o t h e
D e p a r t m e n t of M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S c i e n c e
B r i g h a m Y o u n g U n i v e r s i t y
I n P a r t i a l F u l f i l l m e n t
of t h e R e q u i r e m e n t s f o r t h e D e g r e e
M a s t e r of S c i e n c e
by
D h a n s u k h J . C h a u h a n
M a y 1968
T h i s t h e s i s , b y D h a n s u k h J . C h a u h a n , i s a c c e p t e d i n i t s p r e s e n t
f o r m b y t h e D e p a r t m e n t of M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S c i e n c e of B r i g h a m
Y o u n g U n i v e r s i t y a s s a t i s f y i n g t h e t h e s i s r e q u i r e m e n t f o r t h e d e g r e e of
M a s t e r of S c i e n c e .
/ - T ;
, D a te
D E D I C A T IO N
T o m y p a r e n t s , b r o t h e r s a n d s i s t e r s
A C K N O W L E D G E M E N T S
T h e a u t h o r w i s h e s t o e x p r e s s h i s s i n c e r e g r a t i t u d e t o D r . M i l t o n
G. W i l l e f o r h i s v a l u a b l e g u i d a n c e a n d a s s i s t a n c e t h r o u g h o u t t h i s p r o j e c t
a n d p r e p a r a t i o n of t h e t h e s i s . S i n c e r e t h a n k s a r e a l s o e x p r e s s e d t o M r .
W i l l i a m O. H a y e s f o r h i s e v e r - h e l p i n g h a n d s f o r t h e b u i l d i n g a n d o p e r a
t i o n of t h e m o d e l . T h e a u t h o r i s a l s o g r a t e f u l t o t h e D e p a r t m e n t of
M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S c i e n c e f o r s u p p l y i n g n e c e s s a r y f u n d s r e q u i r e d
i n t h e d e v e l o p m e n t of th e p r o j e c t .
T A B L E O F C O N T E N T S
P A G E
A C K N O W L E D G E M E N T S .................................................... i v
L I S T OF. T A B L E S .............................................................................................................. v i i
L IS T O F F I G U R E S ............................................................................................................ v i i i
L I S T O F D R A W I N G S .................................................................................................. ix
C H A P T E R
I. I N T R O D U C T I O N ................................................................................................ 1
II . C O N T R O L BASIS AND G E N E R A L D E S IG N C O N C E P T S
O F T H E M A C H I N E ............................................................................... 7
2. 1 S e l e c t i o n of C o n t r o l B a s e s .................................................... 7
2. 2 G e n e r a l D e s i g n C o n c e p t s ..................................................... 9
III . D E S I G N ................................................................................................................... 11
3. 1 E l e c t r o d e F e e d S y s t e m .......................................................... 11
3 . 2 T r a v e r s e M o t io n S y s t e m ......................................................... 18
3. 3 F r a m e S u p p o r t i n g t h e T w o S y s t e m s ................................ 20
IV. R E S U L T I N G M A C H IN E AND I T S P E R F O R M A N C E . . . . 23
4 . 1 M a c h i n e A p p e a r a n c e .............................................................. 23
4 . 2 O p e r a t i o n a l C h a r a c t e r i s t i c s .............................................. 23
4 . 3 C u r r e n t C o n t r o l C h a r a c t e r i s t i c R e s u l t s 27
C H A P T E R P A G E
V. S U M M A R Y .............................................................................................................. 2 9
L IS T O F R E F E R E N C E S ........................................................................................................ 30
A P P E N D I X .............................................................................................................................. 32
L IS T O F T A B L E S
T A B L E P A G E
I. T e s t R e s u l t s ................................................................................... 28
L IS T O F F I G U R E S
F I G U R E P A G E
1. T y p i c a l W e l d i n g G e n e r a t o r C h a r a c t e r i s t i c .................................................2
2. M e t a l - A r c C h a r a c t e r i s t i c s in A i r ............................................... 3
3. W e l d i n g O p e r a t i o n S c h e m e f o r a n A u t o m a t i c W e l d i n g
M a c h i n e U s i n g a C o n t i n u o u s F i l l e r W i r e .................................................4
4 . W e l d i n g O p e r a t i o n S c h e m e f o r a n A u t o m a t i c W e l d i n g
M a c h i n e U s i n g a C o n s u m a b l e S t i c k E l e c t r o d e .......................................5
5. E l e c t r o d e R e s i s t a n c e C h a r a c t e r i s t i c s ...................................................... 6
6. I n s i d e V ie w of E l e c t r o d e F e e d , W e l d in g C u r r e n t C i r c u i t
S y s t e m and B o x ........................................................................................................ 13
7. W i r i n g D i a g r a m f o r E l e c t r o d e F e e d S y s t e m ..........................................15
8. S c h e m a t i c W i r i n g D i a g r a m f o r T a b l e S p e e d R e v e r s a l and
S t o p p a g e . .................................................................................................................. 21
9. T o p V ie w of t h e T r a v e r s e M o t i o n S y s t e m a n d t h e F r a m e . . . 22
10. F r o n t V i e w of M a c h i n e w i t h I n s t r u m e n t a t i o n ......................................... 24
11. B a c k V ie w of M a c h i n e ..............................................................................................24
12. S ide V i e w of M a c h i n e ..............................................................................................25
L IS T O F DRAW INGS
D RA W IN G
1. H e a d A s s e m b l y
2. T a b l e A s s e m b l y
3. H e a d D e t a i l s - I
4 . H e a d D e t a i l s - II
5. T a b l e D e t a i l s - I
6. T a b l e D e t a i l s - II
7. T a b l e D e t a i l s - III
8. T a b l e D e t a i l s - IV
*A ll d r a w i n g s a r e i n c l u d e d i n p o c k e t i n s i d e b a c k c o v e r .
P A G E
C H A P T E R I
IN T R O D U C T I O N
Good w e l d i n g r e s e a r c h r e q u i r e s a c c u r a t e c o n t r o l of t h e v a r i a b l e s
i n v o l v e d , t o a c h i e v e c o n s i s t e n t r e s u l t s . T h e v a r i a b l e s i n v o l v e d in a r c
w e l d i n g a r e of t h e d e p e n d e n t and i n d e p e n d e n t t y p e . C o n t r o l of t h e i n d e
p e n d e n t v a r i a b l e s s u c h a s a r c c u r r e n t , a r c v o l t a g e and w e l d i n g v e l o c i t y
i s n e c e s s a r y t o c o n t r o l t h e i n d e p e n d e n t v a r i a b l e s s u c h a s p e n e t r a t i o n ,
e l e c t r o d e c o n s u m p t i o n r a t e , e t c . T h e p u r p o s e of t h i s t h e s i s w a s t o
d e s i g n , d e v e l o p a n d t e s t a n a u t o m a t i c w e l d i n g m a c h i n e w h i c h c o n t r o l l e d
t h e a b o v e v a r i a b l e s w i t h i n th e l i m i t s r e q u i r e d f o r w e l d i n g r e s e a r c h .
A u t o m a t i c w e l d i n g m a c h i n e s a r e a v a i l a b l e on t h e m a r k e t w h i c h
c o n t r o l t h e a b o v e v a r i a b l e s , b u t t h e s e u s u a l l y u s e c o n t i n u o u s f i l l e r w i r e s .
T h e r e s e a r c h o b j e c t i v e s of t h e M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S c i e n c e
D e p a r t m e n t a t B r i g h a m Y oung U n i v e r s i t y i n v o l v e s t h e s t u d y of t h e
b e h a v i o r of d i f f e r e n t t y p e s of e l e c t r o d e c o a t i n g s a n d s i z e s on w e l d i n g
c o n d i t i o n s . T h e r e f o r e , t h e m a c h i n e in q u e s t i o n h a d t o b e d e s i g n e d t o u s e
s t i c k e l e c t r o d e s .
T y p i c a l o u tp u t c h a r a c t e r i s t i c s of a m o t o r - d r i v e n w e l d i n g g e n e r a t o r
c o m m o n l y u s e d f o r w e l d i n g p r o c e s s e s a r e d e s c r i b e d in F i g u r e 1.
F r o m F i g . 1, one c a n u n d e r s t a n d t h a t t h e r e i s a f i x e d v a l u e of
w e l d i n g c u r r e n t f o r s o m e v a l u e of g e n e r a t o r p o t e n t i a l a n d v i c e v e r s a . A
2
g i v e n lo a d s u p p l i e d t o t h e g e n e r a t o r w i l l p r o d u c e s o m e o p e r a t i n g c o n d i t i o n
on t h e g e n e r a t o r c h a r a c t e r i s t i c s c u r v e .
F i g . 1 T y p i c a l W e l d i n g G e n e r a t o r C h a r a c t e r i s t i c s
F o r h a n d w e l d i n g t h e o p e r a t o r f i r s t a d j u s t s t h e w e l d i n g g e n e r a t o r
s e t t i n g s of v o l t a g e s a n d c u r r e n t r e q u i r e d f o r t h e w o r k . T h e n d u r i n g th e
w e l d i n g o p e r a t i o n h e s e n s e s t h e h e a t i n p u t i n t o t h e w e ld by m a i n t a i n i n g
t h e s i z e of a m o l t e n m e t a l p o o l . H e v a r i e s t h e h e a t i n p u t and h e n c e t h e
w e l d p e n e t r a t i o n b y a d j u s t i n g t h e a r c l e n g t h b y m o v i n g t h e e l e c t r o d e
t o w a r d s o r a w a y f r o m th e w e l d i n g p o o l b y h i s h a n d m o t i o n s . T h i s e l e c t r o d e
m o v e m e n t r e q u i r e s g r e a t s k i l l t o k e e p t h e h e a t i n p u t c o n s t a n t . E v e n f o r
a n e x p e r i e n c e d w e l d e r , t h e p r o c e s s i s i n h e r e n t l y s u b j e c t t o h u m a n e r r o r
and j u d g m e n t .
F i g . 2 s h o w s e l e c t r o d e c h a r a c t e r i s t i c s in a i r , t y p i c a l l y , f o r i r o n
e l e c t r o d e s . One o b s e r v e s t h a t h i g h e r p o t e n t i a l c o r r e s p o n d s t o a l o n g e r
3
a r c l e n g t h . One a l s o o b s e r v e s t h a t v o l t a g e r e m a i n s c o n s t a n t f o r h i g h e r
v a l u e s of c u r r e n t . T h e a r c l e n g t h d e t e r m i n e s t h e a r c p o t e n t i a l , i . e . ,
t h e v o l t a g e d r o p i n t h e a r c , a n d h e n c e t h e w e l d i n g c u r r e n t , f r o m w e l d i n g
g e n e r a t o r c h a r a c t e r i s t i c s . A c h a n g e in a r c l e n g t h c a u s e s a c h a n g e in
a r c p o t e n t i a l a n d h e n c e in w e l d i n g c u r r e n t .
F i g . 2 M e t a l - A r c C h a r a c t e r i s t i c s in A i r
A r c p o t e n t i a l , w e l d i n g c u r r e n t a n d w e l d i n g v e l o c i t y a f f e c t w e ld
p e n e t r a t i o n . J a c k s o n and G o o d w in (1)* p u b l i s h e d r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n
p e n e t r a t i o n , a r c p o t e n t i a l , w e ld i n g c u r r e n t a n d w e l d i n g v e l o c i t y .
U n i f o r m p e n e t r a t i o n i s d e s i r a b l e f o r good w e l d i n g r e s e a r c h . T o
a c c o m p l i s h t h i s t h e v a l u e s of a r c p o t e n t i a l , w e l d i n g c u r r e n t a n d w e l d i n g
v e l o c i t y s h o u l d b e m a i n t a i n e d c o n s t a n t d u r i n g t h e w e l d i n g o p e r a t i o n .
^ N u m b e r i n p a r e n t h e s i s r e f e r s t o t h e r e f e r e n c e in L i s t of R e f e r e n c e s .
4
W e l d i n g v e l o c i t y is e a s i l y c o n t r o l l e d s e p a r a t e l y f r o m a r c v o l t a g e and
w e l d i n g c u r r e n t .
A u t o m a t i c w e ld i n g m a c h i n e s u s i n g c o n t i n u o u s f i l l e r w i r e s a r e
a b l e t o c o n t r o l b o t h th e a r c p o t e n t i a l , w e l d i n g c u r r e n t , a n d k e e p t h e a r c
l e n g t h c o n s t a n t a n d h e n c e a l s o t h e p e n e t r a t i o n b y j u s t c o n t r o l l i n g e i t h e r
c u r r e n t o r v o l t a g e .
ConUnuOus
F i g . 3 W e l d in g O p e r a t i o n S c h e m e f o r a n A u t o m a t i c W e l d i n g M a c h i n e U s i n g a C o n t i n u o u s F i l l e r W i r e
W h e n w e l d i n g c u r r e n t is c o n t r o l l e d a t a c o n s t a n t v a l u e , t h e
g e n e r a t o r ou tp u t v o l t a g e , E , s h o w n in F i g . 3, a l s o r e m a i n s c o n s t a n t©
b e c a u s e of th e g e n e r a t o r c h a r a c t e r i s t i c s . One o b s e r v e s , f u r t h e r , t h a t
f o r c o n s t a n t c u r r e n t th e v o l t a g e E^. a l s o r e m a i n s c o n s t a n t , s i n c e t h e
v o l t a g e d r o p s in t h e w e ld i n g c a b l e s a r e c o n s t a n t . A l s o t h e v o l t a g e d r o p
E g in t h e f i l l e r w i r e r e m a i n s c o n s t a n t f o r t h e s a m e r e a s o n . S in c e E-p
5
a n d E g a r e c o n s t a n t th e a r c p o t e n t i a l E & a l s o h a s t o r e m a i n c o n s t a n t .
H e n c e , c o n t r o l l i n g c u r r e n t c o n s t a n t r e s u l t s in c o n s t a n t a r c v o l t a g e ,
c o n s t a n t g e n e r a t o r o u tp u t p o t e n t i a l . C o n s t a n t a r c p o t e n t i a l a n d c u r r e n t
c o r r e s p o n d t o c o n s t a n t a r c l e n g t h a s w a s s h o w n i n F i g . 2.
V o l t a g e c o n t r o l i s a l s o u s e d t o c o n t r o l w i r e f e e d in a s i m i l a r w a y
b y m o n i t o r i n g t h e v o l t a g e d r o p E^ . .
; F o r a n a u t o m a t i c w e l d i n g m a c h i n e u s i n g a c o n s u m a b l e s t i c k
e l e c t r o d e t h e o p e r a t i n g s c h e m e i s s h o w n i n F i g . 4 .
F i g . 4 W e l d i n g O p e r a t i o n S c h e m e f o r a n A u t o m a t i c W e l d in g M a c h i n e U s i n g a C o n s u m a b l e S t i c k E l e c t r o d e
In t h i s c a s e t h e e l e c t r o d e l e n g t h d e c r e a s e s a s t h e e l e c t r o d e i s
c o n s u m e d d u r i n g t h e w e l d i n g o p e r a t i o n . T h i s c a u s e s a d e c r e a s e in t h e
r e s i s t a n c e of t h e e l e c t r o d e .
T h e r e l a t i o n s h i p of t h e e l e c t r o d e v o l t a g e d r o p v e r s u s l e n g t h d u r i n g
a c o n s t a n t c u r r e n t w e l d i n g o p e r a t i o n i s s h o w n in F i g . 5. D u r i n g w e l d i n g
6
t h e r e s i s t a n c e of t h e e l e c t r o d e n e a r t h e t i p i s h i g h e r t h a n o t h e r p o r t i o n s
of t h e r o d b e c a u s e t h e t i p i s a t a v e r y h ig h t e m p e r a t u r e a s c o m p a r e d t o
t h e o t h e r p o r t i o n s . B u t t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n e l e c t r o d e l e n g t h and
v o l t a g e d r o p r e m a i n s a p p r o x i m a t e l y a l i n e a r l i n e a s s h o w n b y t h e d o t t e d
l i n e i n t h e f i g u r e , b e c a u s e t h e e l e c t r o d e t ip i s a l w a y s p r e s e n t e v e n if t h e
e l e c t r o d è l e n g t h d e c r e a s e s . H e n c e , t h e d e c r e a s e in e l e c t r o d e v o l t a g e
d r o p d u r i n g t h e w e l d i n g o p e r a t i o n v a r i e s l i n e a r l y w i th e l e c t r o d e l e n g th1 'j
on ly .
T h u s t h e v o l t a g e d r o p E g s h o w n i n F i g . 4 f o r c o n s t a n t c u r r e n t
w e l d i n g d o e s n o t r e m a i n c o n s t a n t e v e n th o u g h t h e v o l t a g e d r o p E'p s t i l l
r e m a i n s c o n s t a n t . T h i s s u g g e s t s t h a t t h e a r c p o t e n t i a l E a h a s t o c h a n g e
i n e q u a l a m o u n t t o t h a t of E g t o m a i n t a i n t h e v a l u e of E,j. c o n s t a n t . O ne ,
t h e r e f o r e , v i s u a l i z e s t h a t in t h e c a s e of a m a c h i n e u s i n g c o n s u m a b l e
s t i c k e l e c t r o d e s , i t i s n o t p o s s i b l e to m a i n t a i n b o t h t h e v a l u e s of c u r r e n t
a n d a r c p o t e n t i a l c o n s t a n t .
Æes.’ s rem ce i ncAfitxse.j ir\aaa e-lecUeJt?
F i g . 5 E l e c t r o d e V o l t a g e D r o p C h a r a c t e r i s t i c s
C H A P T E R II
C O N T R O L BASIS A N D G E N E R A L D E S IG N C O N C E P T S
O F T H E M A C H IN E
T h e s e l e c t i o n of c o n t r o l b a s i s a n d t h e g e n e r a l d e s i g n c o n c e p t s of
t h e m a c h i n e a r e d e s c r i b e d in t h i s c h a p t e r .
2. 1 S e l e c t i o n of C o n t r o l B a s i s
I t w a s d e c i d e d to c o n t r o l t h e v a l u e of w e l d i n g c u r r e n t a t a c o n s t a n t
v a l u e d u r i n g t h e w e l d i n g o p e r a t i o n t o a c h i e v e a u n i f o r m w e ld p e n e t r a t i o n
w h i c h is a c r i t e r i a f o r w e l l c o n t r o l l e d w e l d i n g c o n d i t i o n s .
T h e s e l e c t i o n of w e l d i n g c u r r e n t c o n t r o l w a s b a s e d on t h e f a c t
t h a t t h e c o n s t a n t v a l u e of w e l d i n g c u r r e n t a l l o w e d l e s s v a r i a t i o n in p e n e
t r a t i o n t h a n t h a t a l l o w e d b y a c o n s t a n t e l e c t r o d e v o l t a g e . T h i s c a n be
s e e n f r o m t h e f o l l o w i n g c a l c u l a t i o n s .
D a t s k o (2) g i v e s a r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p e n e t r a t i o n P , w e l d i n g
c u r r e n t I , a r c p o t e n t i a l E a n d w e l d i n g v e l o c i t y V a s ,
P = 2 x 10"5 x E°* 56 x I i * 33 x V " 0, 33
t a k i n g l o g a r i t h m s of b o t h s i d e s g i v e s
_ c;log P = log 2 x 10 ' + 0 . 5 6 log E + 1. 33 log I - 0 . 3 3 log V
D i f f e r e n t i a t i n g g i v e s ,
A E E
A II
f l Y ’ v "
a n d f o r s m a l l c h a n g e s
A P = 0 . 5 6 + 1. 33 - 0. 33
F r o m t h i s r e l a t i o n s h i p one c a n s e e t h a t t h e p e r c e n t a g e v a r i a t i o n
i n p e n e t r a t i o n i s m o r e s e n s i t i v e to v a r i a t i o n s in c u r r e n t t h a n in v o l t a g e .
I t i s o b v io u s f r o m th e p r e c e e d i n g e q u a t i o n s t h a t t h e p e r c e n t a g e
v a r i a t i o n in p e n e t r a t i o n w o u ld be a p p r o x i m a t e l y 0. 56% f o r a 1% v a r i a t i o n
of a r c v o l t a g e . W h e r e a s a 1% v a r i a t i o n in c u r r e n t r e s u l t s in a 1. 33%
v a r i a t i o n in p e n e t r a t i o n .
T h e v a r i a t i o n of a r c v o l t a g e c a u s e d b y c o n s u m p t i o n of a s t i c k
e l e c t r o d e is e q u a l t o t h e c h a n g e in v o l t a g e d r o p a c r o s s t h e s t i c k e l e c t r o d e
d u r i n g w e l d i n g .
T h e e l e c t r i c a l r e s i s t a n c e of a 1 / 8 d i a m e t e r 12 i n c h lo n g s t e e l
e l e c t r o d e w a s c a l c u l a t e d to be 0. 0047 o h m . T h i s v a l u e w a s i i se d t o
e s t a b l i s h th e o v e r a l l c h a n g e i n e l e c t r o d e v o l t a g e d r o p d u r i n g th e c o n
s u m p t i o n of a r o d .
T h e a v e r a g e v a l u e s of w e l d i n g c u r r e n t a n d a r c p o t e n t i a l u s e d f o r
a 1 /8 d i a m e t e r e l e c t r o d e a r e 100 a m p e r e s a n d 25 v o l t s (2) r e s p e c t i v e l y .
H e n c e p e r c e n t a g e v a r i a t i o n in a r c v o l t a g e i s
A Ex 100 =
RIE a r c x 100 =
0047 x 100 25 = 1 .8 8 %
T h e r e f o r e t h e c o r r e s p o n d i n g p e r c e n t v a r i a t i o n i n p e n e t r a t i o n i s
A p" P x 100 0. 56 x 1. 88 = 1. 055%
w h i c h i s s m a l l and a c c e p t a b l e .
9
H e n c e , t h e i d e a of k e e p i n g c o n s t a n t c u r r e n t i s q u i t e a p p r o p r i a t e
a s a c r i t e r i a f o r d e s i g n .
2 . 2 G e n e r a l D e s i gn C o n c e p t s
I t w a s d e c i d e d t o p r o v i d e tw o s e p a r a t e m e a n s f o r a c c o m p l i s h i n g
t h e e l e c t r o d e f e e d a n d th e t r a n s v e r s e m o t i o n of t h e w e l d i n g o p e r a t i o n ,
t o s i m p l i f y t h e m a c h i n e o p e r a t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d i t s f a b r i c a t i o n .
A s e r v o - a m p l i f i e r - s e r v o - m o t o r c o m b i n a t i o n w a s s e l e c t e d to!
d r i v e a n e l e c t r o d e c a r r i a g e t o c o n t r o l t h e e l e c t r o d e f e e d r a t e and h e n c e
t h e w e l d i n g c u r r e n t .
A t r a v e r s e m o t i o n s p e e d r a n g e of 4 i n / m i n . t o 80 i n / m i n . w a s
s e l e c t e d on th e b a s i s of d a t a p u b l i s h e d b y J a c k s o n and G o o d w in (1). A
s i l i c o n - c o n t r o l l e d - r e c t i f i e r - c o n t r o l and U n i v e r s a l - m o t o r s y s t e m w a s
s e l e c t e d f o r d r i v i n g a m o v i n g t a b l e w i t h i n t h e a b o v e r a n g e of t r a v e r s e
s p e e d . A s c r e w f ix e d t o t h e m o v i n g t a b l e w a s s e l e c t e d t o b e d r i v e n by
a r o t a t i n g n u t a n d a w o r m c o u p l e d to t h e U n i v e r s a l m o t o r . It w a s d e c i d e d
t o m o u n t t h e d r i v i n g m e c h a n i s m u n d e r n e a t h t h e m o v i n g t a b l e t o p r o t e c t
i t f r o n a r c h e a t a n d w e l d s p l a t t e r .
A low r e s i s t a n t e l e c t r i c a l s h u n t w a s s e l e c t e d t o p r o v i d e v o l t a g e
d r o p s c o r r e s p o n d i n g t o d i f f e r e n t v a l u e s of w e l d i n g c u r r e n t .
A f r e q u e n c y f i l t e r w a s s e l e c t e d t o f i l t e r ou t t h e h a s h p r e s e n t in
t h e w e l d i n g c u r r e n t due t o a r c i n s t a b i l i t y .
I t w a s d e c i d e d to c o m p a r e t h e v o l t a g e d r o p s a c r o s s t h e w e l d i n g
c u r r e n t s h u n t t o a r e f e r e n c e v o l t a g e , a n d s u p p l y t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n
10
t h e s e tw o v o l t a g e d r o p s t o th e s e r v o - a m p l i f i e r - s e r v o - m o t o r s y s t e m f o r
c o n t r o l l i n g t h e e l e c t r o d e - f e e d r a t e . T h i s c o n t r o l of e l e c t r o d e f e e d r a t e
w o u ld r e s u l t in m a i n t a i n i n g t h e v a l u e of w e l d i n g c u r r e n t c o n s t a n t and
e q u a l t o t h e r e f e r e n c e s e t t i n g .
C H A P T E R HI
D E S IG N
D e s i g n of a n e l e c t r o d e - f e e d a n d w e l d i n g - c u r r e n t c o n t r o l s y s t e m ,
a t r a v e r s e m o t i o n s y s t e m and a f r a m e s u p p o r t i n g t h e s e tw o s y s t e m s , is
d e s c r i b e d in t h i s c h a p t e r .
3. 1 E l e c t r o d e - F e e d S y s t e m
T h e e l e c t r o d e - f e e d s y s t e m c o n s i s t e d of a n e l e c t r o d e c a r r i a g e w i th
d r i v e s c r e w , g e a r t r a i n a n d g u id e r o d , a s e r v o - a m p l i f i e r - s e r v o - m o t o r
s y s t e m t o d r i v e t h e e l e c t r o d e c a r r i a g e , a n e l e c t r i c a l c i r c u i t t o s u p p l y
t h e c o n t r o l v o l t a g e i n p u t i n t o t h e s e r v o - a m p l i f i e r and a p r o t e c t i v e b o x t o
h o u s e t h e s y s t e m . T h e m e c h a n i c a l e l e m e n t s a r e d e t a i l e d in D r a w i n g s
3 a n d 4. *
E l e c t r o d e - c a r r i a g e w i t h d r i v e s c r e w , g e a r t r a i n a n d g u id e r o d :
A s e r v o - m o t o r p o w e r e d e l e c t r o d e c a r r i a g e w a s d e s i g n e d t o m o u n t the
w e l d i n g r o d a n d f e e d i t i n t o t h e w e l d i n g a r e a . A n e l e c t r o d e c l a m p w a s s o
a r r a n g e d on t h e e l e c t r o d e c a r r i a g e t h a t i t w a s e l e c t r i c a l l y i n s u l a t e d f r o m
t h e c a r r i a g e .
A r o d f e e d r a t e of 8 i n / m i n . w a s c a l c u l a t e d t o b e n e e d e d t o o p e r a t e
a t n o r m a l w e ld i n g c o n d i t i o n s f o r e l e c t r o d e s f r o m 3/32 in . t o 3/8 in . in
d i a m e t e r .
* A l l d r a w i n g s a r e i n c l u d e d in t h e A p p e n d i x .
12
A s c r e w - s p u r g e a r c o m b i n a t i o n w a s s e l e c t e d t o p r o v i d e t h e r o d
f e e d r a t e of 8 i n c h e s / m i n . b a s e d u p o n a s e r v o - m o t o r s p e e d of 20 r . p . m .
T h i s r e s u l t e d in a 1 / 2 - 1 0 A C M E s c r e w d r i v e n b y a s e t of s p u r g e a r s of
a 4:1 s p e e d r a t i o . .
A g u id e r o d w a s c h o s e n to p r e v e n t t h e e l e c t r o d e c a r r i a g e f r o m
r o t a t i n g . a ro u n d t h e s c r e w . B a l l b u s h i n g s w e r e u s e d t o p r o v i d e g u i d a n c e
b e t w e e n t h e c a r r i a g e and g u id e r o d t o m i n i m i z e t h e f r i c t i o n f o r c e s a s s o -!
c i a t e d W'ith t h i s g u id in g a c t i o n .
T h e d r i v e s c r e w w a s c h e c k e d f o r b u c k l i n g and t o r s i o n a l s h e a r , and
i t w a s found t h a t t h e a c t u a l l o a d s a r e a b o u t 1% of t h e c r i t i c a l v a l u e s .
S i m i l a r l y , t h e g e a r t o o t h l o a d s w e r e found a b o u t 1% of t h e c r i t i c a l v a l u e s .
T h e l o c a t i o n s of t h e s c r e w , t h e g u id e r o d , t h e s p u r g e a r s a n d th e
e l e c t r o d e c a r r i a g e a r e i n d i c a t e d in F i g . 6 and a l s o in D r a w i n g 1.
S e r v o - a m p l i f i e r s e r v o - m o t o r s y s t e m : A s e r v o - a m p l i f i e r - s e r v o -
r n o t o r s y s t e m w a s p r o v i d e d t o c o n t r o l t h e f e e d t o t h e e l e c t r o d e c a r r i a g e
i n s u c h a w a y a s t o k e e p t h e w e l d i n g c u r r e n t c o n s t a n t . T h i s w a s
a c c o m p l i s h e d b y c o m p a r i n g t h e v o l t a g e a c r o s s a w e l d i n g c u r r e n t s h u n t
w i t h t h a t of a r e f e r e n c e v o l t a g e . B y f e e d i n g t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e s e
v o l t a g e s in t o t h e s e r v o - a m p l i f i e r i n p u t , t h e r o d f e e d w a s c o n t r o l l e d s o a s
t o k e e p t h e v o l t a g e d i f f e r e n c e e s s e n t i a l l y z e r o . T h u s s e t t i n g t h e r e f e r e n c e
v o l t a g e a m o u n t e d t o s e l e c t i n g t h e o p e r a t i n g w e l d i n g c u r r e n t .
13
F i g . 6 I n s i d e V ie w of E l e c t r o d e - F e e d and W e l d i n g C u r r e n t C i r c u i t S y s t e m and B o x
S h o w in g (1) P l a t e 'A ' d i s m o u n t e d f r o m i t s p o s i t i o n , (2) S c r e w 'B '
(3) S p u r g e a r t r a i n ' C 1, (4) E l e c t r o d e c a r r i a g e ' D ' , (5) G u id e r o d ' H ' ,
(6) P l a t e ' I ' w i th e l e c t r i c a l ne t -work m o u n t e d on i t , (7) S e r v o - m o t o r 'S ' .
(8) F r o n t d o o r ' F ' , (9) B a c k P l a t e ' E ' , (10) S hun t 1T ' , (11) C o n d u c t o r
S t r a p ' TJ1.
14
T h e g a i n of t h e s e r v o - a m p l i f i e r w a s s u c h t h a t a t h i g h e s t g a i n , a n
i n p u t of + 20 m i c r o - v o l t w o u ld c a u s e t h e s e r v o - m o t o r t o r u n a t m a x i m u m
s p e e d c l o c k w i s e o r c o u n t e r - c l o c k w i s e d e p e n d i n g u p o n t h e i n p u t v o l t a g e
p o l a r i t y .
T h e p o s i t i o n s of t h e s e r v o - m o t o r a n d t h e s e r v o - a m p l i f i e r a r e
s h o w n i n F i g . 6.
E l e c t r i c a l c i r c u i t . * T h e e l e c t r i c a l c i r c u i t i s d i a g r a m e d i n F i g . 7.
I t w a s c o m p o s e d of a n e l e c t r i c a l s h u n t a n d h a s h f i l t e r , a r e f e r e n c e c o n
t r o l , a n O F F c o n t r o l and n u m b e r of c o n t r o l s w i t c h e s .
T h e c i r c u i t w a s c o n n e c t e d t o t h e s e r v o - a m p l i f i e r - s e r v o - m o t o r
c o m b i n a t i o n a n d t o t h e w e l d i n g g e n e r a t o r a s s h o w n in F i g . 7.
T h e low r e s i s t a n c e e l e c t r i c a l s h u n t p r o v i d e d v o l t a g e d r o p s
c o r r e s p o n d i n g t o d i f f e r e n t v a l u e s of w e l d i n g c u r r e n t . T h e s e v o l t a g e
d r o p s w e r e c o m p a r e d w i t h r e f e r e n c e v o l t a g e s p r o v i d e d b y t h e r e f e r e n c e
c o n t r o l c i r c u i t .
A t w o - s t a g e h a s h f i l t e r , c o n s i s t i n g of t w o 10 o h m s r e s i s t a n c e s
a n d tw o 2300 m i c r o f a r a d s c a p a c i t o r s , w a s a r r a n g e d a s s h o w n in F i g . 7.
T h e f i l t e r h a d th e c h a r a c t e r i s t i c of r e d u c i n g t h e h a s h c o m p o n e n t of 50
c y c l e s / s e c . t o one p e r - c e n t of i t s i n i t i a l v a l u e , a n d h i g h e r f r e q u e n c i e s t o
l e s s t h a n one p e r c e n t .
T h e r e f e r e n c e c o n t r o l c i r c u i t , a s s h o w n in F i g . 7," p r o v i d e d a
r e f e r e n c e v o l t a g e w i t h w h i c h to c o m p a r e t h e w e l d i n g c u r r e n t s h u n t v o l t a g e .
T h e a d j u s t m e n t of t h e r e f e r e n c e v o l t a g e in t h e r a n g e of 0 t o 0. 045 v o l t s
I w T o.------------.
SOYCxetov’
L— 77
f \ y j j chANO£ c>vg£ITCH '
’ /1>— 'lEoT/Key s u j i r t h
. . , Tt> Ei«cU»«{«• 5 gy*Vo - Ay^)> l i 'e \ -
5 $ \Y c - yv\ ho A é't s ("ex
WeldiGer\eA^(r>A
D -------- U
H/VSH F i l t e r iÇeveAse p ù l t x j Y . I ' y5to \ Fc l\ ' o '
REF GA F/YCfccj/vtAoi
To t\">ovAv\ ^ •fcvt>)-c
F i g . 7 W i r i n g D i a g r a m f o r E l e c t r o d e F e e d S y s t e m
CPF COFf/WL
N o t e : W = w h i t e , G = g r e e n , R = r e d , Y = y e l l o w , P = p u r p l e , B = b l a c k
16
w a s a c c o m p l i s h e d b y th e 20 o h m r e s i s t a n c e . T h e 5 o h m v a r i a b l e
r e s i s t a n c e w a s u s e d f o r f i n e a d j u s t m e n t . A v o l t m e t e r v /as p r o v i d e d to
m o n i t o r t h e b a t t e r y v o l t a g e s u p p l y t o h e l p i n s u r e c o n s t a n t o p e r a t i n g
c o n d i t i o n s .
T h e 350 o h m v a r i a b l e r e s i s t a n c e w a s i n s e r t e d b e t w e e n t h e b a t t e r y
and t h e R e f e r e n c e c o n t r o l c i r c u i t t o a d j u s t t h e b a t t e r y s u p p l y c u r r e n t a s
n e e d e d t o a c c o u n t f o r b a t t e r y d e c a y .
A n O F F c o n t r o l c i r c u i t w a s p r o v i d e d t o c o r r e c t f o r s e r v o - m o t o r
d r i f t w h e n t h e s e r v o - a m p l i f i e r g a i n w a s s e t h ig h . T h e v a l u e s of r e s i s t a n c e s
w e r e s e l e c t e d t o p r o v i d e a n a d j u s t a b l e v o l t a g e i n t h e r a n g e of a b o u t _+ 1 50
m i c r o v o l t s t o b r i n g th e s e r v o - m o t o r t o a s t i l l c o n d i t i o n .
A r o t a r y s w i t c h w a s p r o v i d e d f o r up a n d do w n m a n u a l o p e r a t i o n
of t h e e l e c t r o d e f e e d . T w o m i c r o s w i t c h e s w e r e p r o v i d e d i n t h e c i r c u i t
t o s to p t h e e l e c t r o d e f e e d w h e n t h e e l e c t r o d e c a r r i a g e r e a c h e d e i t h e r end
of t h e s c r e w . A p o l a r i t y r e v e r s e s w i t c h w a s a l s o a d d e d t o a c c o m m o d a t e
r e v e r s e p o l a r i t y w e l d i n g .
A n i n s u l a t e d f l e x i b l e s t r a p c o n d u c t e r w a s c o n n e c t e d b e t w e e n t h e
s h u n t a n d t h e e l e c t r o d e c l a m p t o s u p p l y t h e w e l d i n g c u r r e n t t o t h e e l e c
t r o d e .
F i g . 6 s h o w s th e e l e c t r i c a l c i r c u i t m o u n t e d on t h e i n s i d e of t h e
s i d e p l a t e I and t h e p o s i t i o n s of t h e s h u n t a n d t h e c u r r e n t c o n d u c t o r s t r a p .
F i g . 12 s h o w s t h e c o n t r o l l e v e r s of t h e c i r c u i t c o m p o n e n t s , a s t h e y
a p p e a r e d on th e o u t s i d e of p l a t e I.
17
T h e c o n t r o l of t h e w e l d i n g c u r r e n t w a s a c c o m p l i s h e d d u r i n g
w e l d i n g o p e r a t i o n a s f o l l o w s .
W h e n th e e l e c t r o d e s t r u c k an a r c w i t h t h e w e l d i n g p l a t e , t h e
w e l d i n g c i r c u i t w a s c o m p l e t e d , h e n c e t h e w e l d i n g c u r r e n t s t a r t e d t o f low
f r o m t h e w e l d i n g g e n e r a t o r t h r o u g h t h e e l e c t r o d e , t h e a r c a n d t h e s h u n t .
T h e e l e c t r i c a l c i r c u i t , t h e n , s t a r t e d t o s e n s e t h e d i f f e r e n c e of v o l t a g e
d r o p a c r o s s t h e s h u n t and t h e r e f e r e n c e v o l t a g e . T h e s e r v o - a m p l i f i e r
r e c e i v e d t h i s d i f f e r e n c e a n d s u p p l i e d p o w e r , c o n t r o l l e d b y t h i s d i f f e r e n c e ,
t o s e r v o - m o t o r . H e n c e , t h e s p e e d of t h e s e r v o - m o t o r v a r i e d a c c o r d i n g l y
t o c h a n g e t h e e l e c t r o d e f e e d r a t e and h e n c e g o v e r n t h e a r c l e n g t h . T h i s
p r o v i d e d c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s in w e l d i n g c u r r e n t t o m a i n t a i n t h e
d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e s h u n t a n d r e f e r e n c e v o l t a g e s , e s s e n t i a l l y z e r o .
T h i s r e s u l t e d in m a i n t a i n i n g t h e w e l d i n g c u r r e n t a t a c o n s t a n t v a l u e
c o r r e s p o n d i n g t o t h e r e f e r e n c e v o l t a g e s e t t i n g .
B o x . T h e b o x s u p p o r t e d a l l t h e c o m p o n e n t s of t h e e l e c t r o d e f e e d
s y s t e m in p o s i t i o n a n d s e r v e d t o s h i e l d t h e s y s t e m f r o m t h e h e a t of t h e
a r c a n d w e l d s p l a t t e r . T h e b o x w a s m o u n t e d on a c l a m p a s s h o w n in
D r a w i n g 3, by a s i n g l e b o l t a n d n u t s o t h a t t h e e l e c t r o d e a x i s c o u ld be
i n c l i n e d w h e n d e s i r e d .
T h e d e t a i l e d d r a w in g s of t h e b o x and i t s c o m p o n e n t s a r e g i v e n in
D r a w i n g 4 . T h e a s s e m b l y d r a w i n g of t h e m e c h a n i c a l e l e m e n t s of t h e
e l e c t r o d e f e e d s y s t e m is s h o w n in D r a w i n g 1.
18
3 . 2 T r a v e r s e M o t i o n S y s t e m
T h e t r a v e r s e m o t i o n s y s t e m c o n s i s t e d of a s c r e w d r i v e n t a b l e
m o u n t e d t o t w o gu id e r o d s f i x e d to t h e m o v i n g t a b l e . T h e s c r e w w a s f i x e d
t o t h e t a b l e and w a s d r i v e n b y a r o t a t i n g n u t . T h e r o t a t i n g n u t w a s a
w o r m g e a r w h i c h w a s d r i v e n b y a n e l e c t r i c - m o t o r - p o w e r e d w o r m . T h e
m o t o r w a s of t h e U n i v e r s a l A C - D C t y p e t o p e r m i t s p e e d c o n t r o l .
B y f ix i n g th e s c r e w and t h e tw o g u id e r o d s t o t h e m o v i n g t a b l e ,?
t h e y r e m a i n e d u n d e r t h e t a b l e a t a l l t i m e s a n d h e n c e w e r e p r o t e c t e d
f r o m t h e a r c h e a t a n d w e ld s p l a t t e r .
T h e s c r e w a n d h e n c e t h e m o v i n g t a b l e w a s g iv e n l i n e a r m o t i o n
w h e n d r i v e n b y t h e w o r m g e a r n u t a n d w o r m c o m b i n a t i o n . T h e t w o gu id e
r o d s , f i x e d t o t h e m o v i n g t a b l e on e a c h s i d e of t h e s c r e w , w e r e g u id e d
b y b a l l b u s h i n g s , h o u s e d in a s u p p o r t o r m a c h i n e b a s e . T h e w e i g h t of
t h e m o v i n g t a b l e w a s t r a n s f e r r e d t o t h e s u p p o r t o r b a s e b y t h e g u id e r o d s
a n d b a l l b u s h i n g s . T h e b a l l b u s h i n g s m i n i m i z e d t h e f r i c t i o n f o r c e s
a s s o c i a t e d w i t h t h e g u id in g a c t i o n .
T h e s c r e w y/as c h e c k e d f o r t e n s i l e a n d t o r s i o n a l l o a d s a n d i t w a s
found t h a t t h e a c t u a l l o a d s w e r e a b o u t 1% of t h e c r i t i c a l v a l u e s . The
g u id e r o d s w e r e c h e c k e d f o r b e n d i n g a n d s h e a r and t h e a c t u a l l o a d s w e r e
fo u n d t o b e a b o u t 45% of t h e c r i t i c a l v a l u e f o r b e n d i n g a n d a b o u t 10% of
t h e c r i t i c a l v a l u e f o r s h e a r .
T h e m o v i n g t a b l e , on w h i c h the p i e c e b e i n g w e l d e d w.as s u p p o r t e d ,
w a s m a d e f r o m t w o p l a t e s . T h e u p p e r p l a t e w a s m o u n t e d on s i x s p r i n g s
o v e r t h e l o w e r f r a m e p l a t e s o t h a t i t c o u l d e x p a n d a n d b e n d w h e n h e a t e d
19
b y w e l d i n g h e a t w i t h o u t p u t t i n g u n d u e l o a d s on t h e r e s t of t h e s y s t e m ( s e e
D r a w i n g 2).
A m e t h o d v /a s s e l e c t e d t o a c h i e v e a t r a v e r s e s p e e d r a n g e of 4 i n /
m i n . t o 80 i n / m i n . f o r t h e m o v i n g t a b l e f o r d r i v i n g i t b y a s i l i c o n - c o n t r o l l e d -
r e c t i f i e r c o n t r o l l e d u n i v e r s a l e l e c t r i c m o t o r . T h e m o t o r p o w e r e d t h e t a b l e
t h r o u g h a c o m b i n a t i o n of w o r m , w o r m g e a r n u t and s c r e w . A 1 / 2 - 5 A C M E
t h r e a d s c r e w w a s s e l e c t e d f o r t h e d r i v e s c r e w . A l i n e a r s p e e d of 80 in/
m i n . c o r r e s p o n d s t o i t s r o t a t i o n a l s p e e d of 400 r . p . m . A 20:1 s p e e d r a t i o
w a s s e l e c t e d f o r w o r m a n d w o r m g e a r n u t c o m b i n a t i o n t o a c h i e v e a s c r e w
s p e e d of 500 r . p . m . on t h e b a s i s of a u n i v e r s a l m o t o r s p e e d of 1 0 ,0 0 0
r . p . m . T h e s i l i c o n - c o n t r o l l e d - r e c t i f i e r u n i t w a s s e l e c t e d t o r e d u c e and
c o n t r o l t h e m o t o r s p e e d b e c a u s e of i t s a b i l i t y t o m a i n t a i n m o t o r t o r q u e
a t a r e d u c e d s p e e d .
T h e s i n g l e - p i t c h w o r m a n d w o r m g e a r w e r e c h e c k e d f o r w e a r and
h e a t d i s s i p a t i o n . I t w a s f o u n d t h a t a c t u a l l o a d s w e r e a b o u t 0. 1% of t h e
c r i t i c a l v a l u e s .
A b a s e - s u p p o r t w a s d e s i g n e d t o m o u n t t h e m o v i n g t a b l e a n d to
h o u s e t h e w o r m a n d w o r m - g e a r n u t c o m b i n a t i o n . T h e d e t a i l e d d r a w i n g
of t h e b a s e - s u p p o r t i s g i v e n in D r a w i n g 5. T h e a s s e m b l y of t h e b a s e -
s u p p o r t and o t h e r p a r t s i s s h o w n in D r a w i n g 2.
A 1 /5 H. P . c o u n t e r - c l o c k w i s e r o t a t i n g A C - D C e l e c t r i c m o t o r w a s
c h o s e n t o d r i v e t h e m o v i n g t a b l e . E v e n th o u g h t h e a c t u a l p o w e r n e e d e d
t o d r i v e t h e m o v i n g t a b l e w a s c a l c u l a t e d to b e a b o u t 1% of t h e 1/5 H. P . ,
t h i s h ig h pow 'er m o t o r w a s s e l e c t e d t o a c c o u n t f o r t h e v a r y i n g f r i c t i o n
20
b e t w e e n t h e m o v i n g table a n d th e b a l l b u s h i n g s . A d j u s t m e n t s w e r e m a d e
i n t h e m o t o r a r m a t u r e a n d f i e l d c i r c u i t t o m a k e i t a b l e t o r u n in t h e c l o c k
w i s e a s w e l l a s in t h e c o u n t e r - c l o c k w i s e d i r e c t i o n . T h e e l e c t r i c a l c i r c u i t
f o r t h i s a d j u s t m e n t i s s h o w n in F i g . 8.
T w o m i c r o s w i t c h e s w e r e p r o v i d e d i n t h e c i r c u i t t o s to p t h e t r a v e r s e
m o t i o n of t h e m o v i n g t a b l e w h e n e i t h e r end of t h e m o v i n g t a b l e r e a c h e d
t h e s u p p o r t .
F i g . 9 i n d i c a t e s t h e p o s i t i o n s of t h e v a r i o u s e l e m e n t s of t h e t r a v e r s e
m o t i o n s y s t e m .
3. 3 F r a m e S u p p o r t i n g t h e T w o S y s t e m s
T h e f r a m e c o n s i s t e d of a b a s e p l a t e a n d a v e r t i c a l r o d a s s h o w n
in F i g . 9.
T h e u n i v e r s a l m o t o r w a s m o u n t e d u n d e r n e a t h t h e b a s e p l a t e .
A v e r t i c a l r o d , a s s h o w n in F i g . 9, c l a m p e d in to t h e m o v i n g t a b l e
s u p p o r t , h e l d t h e b o x c o n t a i n i n g t h e e l e c t r o d e f e e d s y s t e m b y m e a n s of a
c l a m p f i x e d t o th e box .
/w, u
j j.i<y>s oyj/u
no v èoPP^y
21
F i g . 8 S c h e m a t i c w i r i n g D i a g r a m f o r T a b l e S p e e d R e v e r s a l a n d S to p p a g e
22
F i g . 9 T o p V iew of t h e T r a v e r s e M o t i o n S y s t e m and th e F r a m e ( U p p e r P l a t e R e m o v e d )
S how ing (1) l o w e r f r a m e p l a t e ' J ' , (2) s p r i n g s ' K ' , (3) m o v i n g
t a b l e s u p p o r t ' L ' , (4) s c r e w ' M 1, (5) g u id e r o d s ' N ' , (6) a n g l e i r o n s ' O ’ ,
(7) b a s e p l a t e ' P ' , (8) a n g le i r o n s u p p o r t s ' Q ' , and (9) r o d ' R ' .
C H A P T E R IV
R E S U L T I N G M A C H IN E AND IT S P E R F O R M A N C E
, T h i s c h a p t e r d e s c r i b e s t h e r e s u l t i n g m a c h i n e and i t s o p e r a t i o n a l
c h a r a c t e r i s t i c s . T e s t s w e r e c o n d u c t e d t o d e t e r m i n e t h e a b i l i t y of th e
m a c h i n e t o c o n t r o l t h e w e l d i n g c u r r e n t .
4 . 1. M a c h i n e A p p e a r a n c e
F i g s . 10, 11 and 12 sh o w t h e a p p e a r a n c e of t h e m a c h i n e f r o m th e
f r o n t , b a c k a n d s i d e . T h e y i n d i c a t e t h e b o x c o n t a i n i n g t h e e l e c t r o d e f e e d
s y s t e m , t h e t r a v e r s e m o t i o n s y s t e m , t h e f r a m e s u p p o r t i n g t h e s e s y s t e m s
a n d t h e i n s t r u m e n t s t h a t w e r e u s e d to t e s t t h e m a c h i n e ' s p e r f o r m a n c e .
4 . 2. O p e r a t i o n a l C h a r a c t e r i s t i c s * 1 2 3 4
T h e s t e p s t h a t w e r e f o l l o w e d f o r t h e s t a r t i n g and o p e r a t i o n of t h e
m a c h i n e a r e l i s t e d a s f o l l o w s .
(1) T h e e l e c t r i c a l c o n n e c t i o n s w e r e c o m p l e t e d a s s h o w n in F i g . 7.
(2) T h e g a i n of t h e s e r v o - a m p l i f i e r , a s s h o w n 'G ' in F i g . 12 w a s
r e d u c e d t o z e r o .
(3) T h e b a t t e r y s w i t c h , a s s h o w n ' 7 ' in F i g . 12 w a s t u r n e d ON.
(4) T h e r e q u i r e d r e f e r e n c e v o l t a g e w a s a d j u s t e d a c r o s s t e r m i n a l s
A B b y a d j u s t i n g t h e 20 o h m v a r i a b l e r e s i s t a n c e s h o w n a s ' 5 ' i n F i g . 12,
24
F i g . 10 F r o n t V ie w of M a c h i n e w i t h i n s t r u m e n t a t i o n s h o w i n g (1) B ox c o n t a i n i n g e l e c t r o d e f eed s y s t e m ' x ' , (2) t h e t r a v e r s e m o t i o n s y s t e m 1T ' , (3) B a s e p l a t e ' Y ' , (4) w e l d i n g g e n e r a t o r ' Z ' , (5) p o w e r s t a t ' P ' , and (6) m i l l i v o l t m e t e r ' V ' .
F i g . 11 B a c k v ie w of m a c h i n e s h o w i n g (1) a m p l i f i e r ' G ' , (2) S e r v o m o t o r 'S ' , (3) Rod ' R ' , and (4) m o v i n g t a b l e ' M ' .
25
F i g . 12 S ide V ie w of m a c h i n e s h o w i n g P l a t e I h a v i n g e l e c t r i c c o n t r o l l s (1) D P D T s w i t c h ' 1 ' , (2) r o t a r y s w i t c h '2 ', (3) v o l t m e t e r ' 3 ' , (4) 350 oh m v a r i a b l e r e s i s t a n c e f o r b a t t e r y c o n t r o l ' 4 ' , (5) 20 oh m v a r i . r e s i s t . ' 5 ' , (6) 5 o h m v a r i . r e s i s t . ' 6 ' , (7) b a t t e r y s w i t c h ' 7 ' , (8) O F F c o n t r o l 10-0- v a r i . r e s i s t . ' 8 ' , (9) D P D T r e v e r s e p o l a r i t y s w i t c h ' 9 ' , (10) t e r m i n a l s ' A B ' , (11) a m p l i f i e r ' G 1, (12) s e r v o - m o t o r ’5 ' , and (13) b o x 1 w ' .
26
and r e a d i n g t h e v o l t a g e v a l u e on a m i l l i v o l t - m e t e r c o n n e c t e d a c r o s s A B .
F i n e a d j u s t m e n t w a s m a d e b y t u r n i n g t h e k n o b , s h o w n a s '6' i n F i g . 12,
of 5 o h m v a r i a b l e r e s i s t a n c e .
(5) T h e a u t o m a t i c - m a n u a l s w i t c h s h o w n a s ' 1 ! in F i g . 12 w a s
t u r n e d t o a u t o p o s i t i o n .
(6) T h e w e l d i n g g e n e r a t o r w a s s e t a n d s t a r t e d .
(7) T h e g a i n of t h e s e r v o - a m p l i f i e r w a s i n c r e a s e d b y a l i t t l e to
c a u s e t h e e l e c t r o d e , h e ld in e l e c t r o d e c a r r i a g e , t o c o m e dow n.
(8) T h e s e r v o - a m p l i f i e r g a i n w a s i n c r e a s e d t o i t s f u l l e s t c a p a c i t y
a f t e r t h e e l e c t r o d e s t r u c k a n a r c w i t h a p i e c e of s t e e l w o o l p l a c e d on th e
w e l d i n g p l a t e .
(9) T h e t r a v e r s e m o t i o n of t h e m o v i n g t a b l e w a s s t a r t e d a t a b o u t
t h e s a m e t i m e t h e a r c s t a r t e d . T h e t r a v e r s e m o t i o n s p e e d w a s a d j u s t e d
b y a p o w e r s t a t * c o n n e c t e d t o t h e u n i v e r s a l e l e c t r i c m o t o r .
T o s t o p t h e m a c h i n e o p e r a t i o n :
(1) T h e g a i n of t h e s e r v o - a m p l i f i e r w a s r e d u c e d t o z e r o .
(2) T h e t r a v e r s e m o t i o n of t h e m o v i n g t a b l e w a s s t o p p e d .
(3) T h e w’e l d i n g g e n e r a t o r and o t h e r p o w e r s o u r c e s w e r e s w i t c h e d
off.
S t e e l w o o l w a s u s e d t o s t a r t t h e a r c t o a v o id t h e e l e c t r o d e s t i c k i n g
t o t h e w e l d i n g p l a t e b e f o r e a n a r c i s s t a r t e d .
*A p o w e r s t a t w a s u s e d f o r t h e i n i t i a l t e s t b e c a u s e a s i l i c o n - c o n t r o l l e d - r e c t i f i e r u n i t w a s n o t a v a i l a b l e .
4 . 3. C u r r e n t C o n t r o l C h a r a c t e r i s t i c R e s u l t s
27
T o f ind out w h e t h e r o r n o t t h e c u r r e n t c o n t r o l c h a r a c t e r i s t i c of
t h e m a c h i n e w e r e a s d e s i r e d , a n u m b e r of t e s t s w a s r u n u s i n g d i f f e r e n t
w e l d i n g g e n e r a t o r s e t t i n g s a n d r e f e r e n c e v o l t a g e s a s t a b u l a t e d in T a b l e I.
F o r e a c h o p e r a t i o n of t h e m a c h i n e t h e v o l t a g e d r o p a c r o s s t h e s h u n t w a s
m e a s u r e d a n d n o te d a s g iv e n in T a b l e I . T h e s e m e a s u r e m e n t s w e r e
c o m p a r e d t o th e r e f e r e n c e v o l t a g e r e a d i n g s . F o r e v e r y w e l d i n g o p e r a t i o n
a s t e e l e l e c t r o d e t y p e 6011 , 1 / 8 i n c h d i a m e t e r w a s u s e d .
D i s c u s s i o n of r e s u l t s : T h e c u r r e n t v a l u e s w e r e c a l c u l a t e d f o r
e a c h v a l u e of r e f e r e n c e v o l t a g e s a n d v o l t a g e d r o p s a c r o s s t h e s h u n t , and
w e r e n o t e d a g a i n s t t h e s e a s s h o w n in T a b l e I .
T h e o b s e r v a t i o n s i n d i c a t e d t h a t t h e v o l t a g e d r o p a c r o s s t h e s h u n t
r e m a i n e d c o n s t a n t w i t h i n 0. 5 m i l l i v o l t r e s u l t i n g i n a w e l d i n g c u r r e n t
v a r i a t i o n of +_ 3 a m p e r e s . T h e v a l u e of w e l d i n g c u r r e n t w a s e q u a l t o t h e
s e l e c t e d v a l u e w h e n e v e r t h e v a l u e of t h e r e f e r e n c e v o l t a g e w a s e q u a l t o
o r b e l o w a c r i t i c a l v a l u e , b e i n g d i f f e r e n t f o r e a c h w e l d i n g - g e n e r a t o r
s e t t i n g . T h e c r i t i c a l v a l u e f o r a w e l d i n g g e n e r a t o r s e t t i n g of 125 a m p e r e s
w a s 108 a m p e r e s . F o r t h i s s a m e g e n e r a t o r s e t t i n g w h e n th e r e f e r e n c e
c u r r e n t w a s s e t t o a h i g h e r v a l u e t h a n 108 a m p e r e s t h e w e l d i n g c u r r e n t
r e m a i n e d e q u a l t o t h e c r i t i c a l v a l u e of 108 a m p e r e s . T h i s s u g g e s t s t h a t
t h e e l e c t r o d e w a s b e i n g f e d do w n a t i t s m a x i m u m r a t e a n d h e n c e t h e
c u r r e n t l e v e l a n d a r c v o l t a g e w e r e t h o s e c o r r e s p o n d i n g t o t h i s f e e d r a t e .
O t h e r g e n e r a t o r s e t t i n g s r e s u l t e d in s i m i l a r b e h a v i o r a s s h o w n in T a b l e I.
T A B L E I
28
T E S T R E S U L T S
G e n e r a t o rS e t t i n g sA m p s .
V o l t a g e S e t t i n g *
A c r o s s AB M i l l i v o l t s
V o l t a g e R e a d i n g *
A c r o s s Shunt M i l l i v o l t s
C o r r e s p o n d i n g C u r r e n t * *
A c r o s s AB A m p s .
C o r r e s p o n d i n g C u r r e n t **
A c r o s s Shunt A m p s .
G e n e r a t o r 10. 0 10. 0 60 6015. 0 15. 0 90 90
75 17. 5 16. 5 105 992 1 . 0 1 6 . 5 126 9925. 0 16. 5 150 99
10. 0 10. 0 60 601 5 . 0 1 5 . 0 90 90
125 18. 0 18. 0 108 1082 1 . 0 18. 0 126 10825. 0 18. 0 150 108
10. 0 10. 0 60 6015. 0 15. 0 90 90
175 17. 5 17. 5 105 1052 1 . 0 18. 75 126 112. 525. 0 18. 75 150 112. 5
T h e c r i t i c a l v a l u e of c u r r e n t w a s a b o u t t h e a v e r a g e v a l u e of
w e l d i n g c u r r e n t , 100 a m p e r e s , u s u a l l y u s e d f o r t h i s e l e c t r o d e .
T h e m a c h i n e w a s d e s i g n e d f o r t h i s a v e r a g e v a l u e of w e l d i n g
c u r r e n t . T h e r e f o r e , t h e m a c h i n e b a r e l y o p e r a t e d a s p e r t h e d e s i g n
c r i t e r i a . T o go a b o v e t h i s v a l u e of c u r r e n t , a d i f f e r e n t g e a r r a t i o s h o u ld
b e u s e d w h i c h w’ould d r i v e t h e r o d f a s t e r . * **
* T h e s e v o l t a g e r e a d i n g s s h o w e d f l u c t u a t i o n of 0. 5 m i l l i v o l t s .* * T h e s e c u r r e n t r e a d i n g s w e r e s u b j e c t e d t o f l u c t u a t i o n s of +
3 a m p e r e s .
C H A P T E R V
S U M M A R Y
T h e g o a l of th e w o r k w a s a c h i e v e d a s t h e w e l d i n g c u r r e n t r e m a i n e d
c o n s t a n t , d u r i n g t h e w e l d i n g o p e r a t i o n , w i t h i n t h e l i m i t s of +_ 3 a m p e r e s
o r _+ 3%.
T h e v a l u e of t h e w e l d i n g c u r r e n t d u r i n g t h e w e l d i n g o p e r a t i o n w a s
m a i n t a i n e d e q u a l t o t h e r e f e r e n c e c u r r e n t v a l u e c a l c u l a t e d on th e b a s i s of
t h e r e f e r e n c e v o l t a g e , w h e n e v e r t h e v a l u e of c u r r e n t w a s b e l o w a b o u t 100
a m p e r e s , t h e d e s i g n v a l u e .
T h e l i m i t i n g v a l u e of t h e w e l d i n g c u r r e n t c o u l d b e i n c r e a s e d if t h e
s p u r - g e a r r a t i o w e r e c h a n g e d t o p r o v i d e a g r e a t e r e l e c t r o d e f e e d r a t e .
I t i s r e c o m m e n d e d t h a t t h e p r e s e n t s p u r g e a r s b e r e p l a c e d b y
s p u r g e a r s h a v i n g a b i g g e r s p e e d r a t i o .
L I S T O F R E F E R E N C E S
L IS T O F R E F E R E N C E S
31
1. J a c k s o n , E . E . , and G o o d w in , W. J . " E f f e c t of V a r i a t i o n s i nW e l d i n g T e c h n i q u e on t h e T r a n s i t i o n B e h a v i o r of W e l d e d S p e c i m e n s , " W e l d i n g J o u r n a l , 27 , p. 2536 , 1948 .
2. D a t s k o , J o s e p h . M a t e r i a l P r o p e r t i e s a n d M a n u f a c t u r i n g P r o c e s s e sN e w Y o r k : J o h n W i l e y and S o n s , I n c . , 1966, pp . 240 , 225 .
A P P E N D I X
DRAW INGS
T h e p o c k e t i n s i d e t h e b a c k c o v e r c o n t a i n s t h e d r a w i n g s
D E S IG N O F AN A U T O M A T I C A L L Y C O N T R O L L E D - F E E D , C O N S T A N T
C U R R E N T A R C G E N E R A T I N G M A C H I N E
F O R C O N S U M A B L E E L E C T R O D E S
A n A b s t r a c t of a T h e s i s
P r e s e n t e d t o t h e
D e p a r t m e n t of M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S c i e n c e
B r i g h a m Y o u n g U n i v e r s i t y
I n P a r t i a l F u l f i l l m e n t
of t h e R e q u i r e m e n t s f o r t h e D e g r e e
M a s t e r of S c i e n c e
b y
D h a n s u k h J . C h a u h a n
M a y 1968
A B S T R A C T
T h e p u r p o s e of t h i s w o r k w a s t o d e s i g n , d e v e l o p a n d t e s t a n a r c
g e n e r a t i n g m a c h i n e c a p a b l e of m a i n t a i n i n g c o n s t a n t c o n d i t i o n s d u r i n g th e
w e l d i n g o p e r a t i o n .
T h e m a c h i n e c o n t a i n e d a n e l e c t r o d e f e e d s y s t e m a n d a t r a v e r s e
m o t i o n s y s t e m e a c h h a v in g s e p a r a t e m e a n s of c o n t r o l .
T h e c o n s t a n t w e l d i n g c o n d i t i o n s w e r e a c h i e v e d b y k e e p i n g t h e v a l u e
of w e l d i n g c u r r e n t c o n s t a n t d u r i n g t h e w e l d i n g o p e r a t i o n . T h i s w a s
a c c o m p l i s h e d b y t h e m e a n s of a n e l e c t r i c a l c i r c u i t w h i c h c o m p a r e d th e
v o l t a g e d r o p s a c r o s s a s h u n t , c o r r e s p o n d i n g t o t h e w e l d i n g c u r r e n t ,
a n d a r e f e r e n c e v o l t a g e . T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e s e tw o v o l t a g e s w a s
s u p p l i e d a s i n p u t to a s e r v o - a m p l i f i e r . T h e s e r v o - a m p l i f i e r c o n t r o l l e d
t h e p o w e r s u p p l i e d t o a s e r v o - m o t o r w h i c h c o n t r o l l e d t h e e l e c t r o d e f e e d
r a t e , s o a s t o m a i n t a i n a w e l d i n g c u r r e n t e q u a l t o t h e s e l e c t e d v a l u e .
T h e m a c h i n e p e r f o r m e d s u c c e s s f u l l y i n k e e p i n g t h e w e l d i n g
c u r r e n t c o n s t a n t d u r i n g t h e w e l d i n g o p e r a t i o n .
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BRIGHAM YOUNG UNIVERSITYPROVO, UTAH
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SIZEDRAWING NO.
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PARTNO. QTY. DESCRIPTION AND SIZE MATERIAL
UNLESS OTHERWISE NOTED TOLERANCES AS SHOWN BELOW
BRIGHAM YOUNG UNIVERSITYPROVO, UTAH
FRACT DECIMAL ANGLE1 .XX XXX t o
± 64 ±.01 ±001 * 2"
FINISH 6 0 30 T5Z
MATERIAL DRAFTSMAN: DATE: SCALE [SHEET /
HEAT TREAT CHECKER: m /X K DATE. DWG.SIZE
FINISH DESIGNER: DATE:
DRAWING NO.
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