DE102009035922A1

DE102009035922A1 - Verfahren zum Schutzgasschweißen mit zeitlich veränderlicher Schutzgaszufuhr

Info

Publication number: DE102009035922A1
Application number: DE102009035922A
Authority: DE
Inventors: Gunnar BÜRKNER
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2009-08-03
Publication date: 2011-02-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutzgasschweißen mit zeitlich veränderlicher Schutzgas-/Prozessgaszufuhr, wobei mittels eines ersten Regelkreises zumindest eine Regeleinrichtung, durch die ein Schutzgas-/Prozessgasvolumenstrom gemäß einem ersten Sollwert zeitlich verändert wird, auf einen ersten Stellwert geregelt wird und der erste Stellwert mittels eines zweiten Regelkreises auf einen angepassten Stellwert geregelt wird. Mit diesem Regelsystem kann darüber hinaus auch die Schutzgas-/Prozessgaszusammensetzung zeit verändert geregelt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutzgasschweißen mit zeitlich veränderlicher Schutzgaszufuhr.
Schutzgasschweißen umfasst eine bedeutende Gruppe von Verfahren, die in der schweißtechnischen Fertigung eingesetzt werden. Die Anwendung dieser Verfahren ist in einer Vielzahl unterschiedlicher Industriezweige stark verbreitet. Gemeinsame Merkmale aller Schutzgasschweißverfahren sind die Nutzung eines Lichtbogens als Wärmequelle und die Anwendung eines Gases zum Schweißen. Das Gas schützt vorrangig das Schmelzbad vor atmosphärischen Einflüssen, insbesondere Oxidation, und kann je nach Verfahren und Anwendung zur Unterstützung des Lichtbogenprozesses bzw. des Fügeprozesses oder zum Transport von Hilfsstoffen verwendet werden.
Beim Metall-Inertgasschweißen (MIG) wird ein Inertgas, in der Regel Argon oder Helium, zugeführt, um den Luftsauerstoff vom Schmelzbad fernzuhalten. Diese Schutzgase werden benötigt, um hochlegierte Stähle, Nicht-Eisen-Metalle und Aluminiumlegierungen zu schweißen.
Beim Metall-Aktivgasschweißen (MAG) wird entweder mit reinem Kohlendioxid oder einem Mischgas aus argonreichen Mischgasen gearbeitet, um die Schweißverbindung entsprechend den gewünschten technologischen Erfordernissen zu beeinflussen. Das MAG-Schweißverfahren wird bei unlegierten und höher legierten Stählen eingesetzt.
Das Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) ist generell für die Verschweißung sämtlicher metallischer Werkstoffe geeignet, unter der Voraussetzung, dass diese Werkstoffe überhaupt schmelzschweißgeeignet sind. Im Unterschied zu Verfahren, die mit abschmelzender Elektrode arbeiten, sind beim WIG-Schweißverfahren die Zugabe von Schweißzusatz und die Schweißleistung entkoppelt. Als Schutzgas werden die inerten bzw. reaktionsträgen Gase Argon, Stickstoff, Helium oder Gemische daraus verwendet. Weitere Gase, wie z. B. Wasserstoff können ebenfalls eingesetzt werden.
Analogien bestehen zum PLASMA-Schweißen und -Schneiden. Hierbei können in Kombination zwischen den Gasen „Prozessgase” und „Schutzgase” ebenfalls Lichtbogen-Einschnürungen hinsichtlich der Energiedichten und Schmelzbadbeeinflussungen bewirkt werden. Die Textausführungen im Weiteren beziehen sich auf den Schutzgasvolumenstrom, der beim PLASMA-Schweißverfahren die sog. Prozessgase impliziert.
Üblicherweise wird bei den zuvor genannten Verfahren zum Schutzgasschweißen das Schweißergebnis durch die elektrischen Parameter Strom und Spannung sowie die mechanischen Parameter Drahtvorschub und Schweißgeschwindigkeit beeinflusst. Um das Schweißergebnis zu verbessern, ist es möglich, die elektrischen Parameter pulsförmig zu verändern. Weitere Möglichkeiten, den Schweißprozess durch aufgeprägte Schwankungen zu beeinflussen, bestehen in der Anwendung eines zweiten überlagerten, elektrischen Pulses mit geringerer Frequenz, dem Wechsel der Polungsart, dem Pulsen des Drahtvorschubs sowie dem Pendeln des Schweißbrenners.
Indirekt werden die elektrischen Parameter jedoch auch von Randbedingungen wie Kontaktrohrabstand sowie Schutzgasart und -menge beeinflusst. Für reproduzierbare Schweißergebnisse sollten diese möglichst konstant gehalten werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Schutzgasschweißen anzugeben, bei dem die Prozesseigenschaften und Prozessergebnisse zuverlässig und auf einfache Art und Weise indirekt verändert werden können.
Erfindungsgemäß gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Schutzgasschweißen mit zeitlich veränderlicher Schutzgaszufuhr, wobei mittels eines ersten Regelkreises zumindest eine Regeleinrichtung, durch die ein Schutzgasvolumenstrom gemäß einem ersten Sollwert zeitlich verändert wird, auf einen ersten Stellwert geregelt wird, und der erste Stellwert mittels eines zweiten Regelkreises auf einen angepassten Stellwert geregelt wird.
Mit Hilfe dieses instationären Schutzgasvolumenstroms wird eine definierte Veränderung der Lichtbogeneigenschaften erzielt. Beispielsweise führt beim Metall-Schutzgasschweißen (MSG) eine Erhöhung des Schutzgasvolumenstroms zu einem Anstieg der Schweißspannung und zu einem Abfall des Schweißstroms. Verändert werden dabei der Lichtbogenstaudruck und der thermische Wirkungsgrad des Lichtbogens. Dies wirkt sich unmittelbar auf die erzeugte Schmelzbadgeometrie und -dynamik aus. Durch den zweiten Regelkreis, durch den der erste Stellwert auf einen angepassten Stellwert geregelt wird, ist es ferner möglich, eine zuverlässige und vorzugsweise adaptive Regelung des Schutzgasvolumenstroms zu realisieren.
Vorzugsweise basiert der angepasste Stellwert auf einem zweiten Sollwert, der im zweiten Regelkreis auf Grundlage zumindest eines vorherigen Stellwerts oder zumindest eines vorherigen, angepassten Stellwerts bestimmt wird. Dadurch, dass Stellwerte aus früheren Zyklen des ersten bzw. zweiten Regelkreises berücksichtigt werden, wird die Bestimmung des aktuellen, angepassten Stellwerts für die Bereitstellung des momentan erforderlichen Schutzgasvolumenstroms verbessert.
Vorzugsweise wird eine zeitliche Taktung des ersten Regelkreises mit einer zeitlichen Taktung des zweiten Regelkreises synchronisiert.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der erste Regelkreis einen ersten Pulsgenerator auf, der den ersten Sollwert erzeugt, während der zweite Regelkreis einen zweiten Pulsgenerator aufweist, der den zweiten Sollwert erzeugt. Beide Pulsgeneratoren werden vorzugsweise mit derselben Frequenz als Eingangsgröße betrieben, wodurch auf weitere, separate Taktgeber verzichtet werden kann.
Weiterhin vorzugsweise wird der erste Pulsgenerator zur Erzeugung des ersten Sollwerts mit Extremwerten einer zeitlichen Verlaufsfunktion als weitere Eingangsgrößen betrieben.
Ebenfalls ist es von Vorteil, wenn der zweite Pulsgenerator zur Erzeugung des zweiten Sollwerts mit zumindest einer weiteren Eingangsgröße betrieben wird, die auf dem vorherigen Stellwert oder dem vorherigen, angepassten Stellwert basiert.
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn, basierend auf vorherigen Stellwerten oder vorherigen, angepassten Stellwerten zumindest ein Mittelwert als weitere Eingangsgröße bestimmt wird, mit dem der zweite Pulsgenerator betrieben wird.
Vorzugsweise wird der zweite Sollwert mittels einer Adaptionsgröße oder einer Adaptionsfunktion in einen zweiten Stellwert überführt, und der zweite Stellwert wird mit dem ersten Stellwert zur Erzeugung des angepassten Stellwerts verrechnet.
Vorzugsweise wird der erste Sollwert mittels eines Skalierungsgröße oder einer Skalierungsfunktion in eine reglerspezifische Führungsgröße überführt.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird zumindest ein Schutzgasvolumenstrom mittels einer Messeinrichtung direkt oder indirekt bestimmt und als Istwert einem Regler der Regeleinrichtung, vorzugsweise einem PID-Regler, zugeführt.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der angepasste Stellwert einem Stellglied zugeführt, durch den der Schutzgasvolumenstrom über die Zeit verändert wird. Hierdurch lassen sich die Lichtbogeneigenschaften gezielt beeinflussen.
Ebenfalls ist es von Vorteil, wenn der angepasste Stellwert zumindest einem Stellglied zugeführt wird, durch das eine Gaszusammensetzung des Schutzgasvolumenstroms über die Zeit verändert wird. Auch hierdurch lassen sich die Lichtbogeneigenschaften weiter gezielt beeinflussen.
Vorzugsweise umfasst die Regeleinrichtung zumindest ein erstes Stellglied, das mit einer ersten Schutzgasquelle verbunden ist und einen ersten Schutzgasvolumenstrom regelt, und ein zweites Stellglied, das mit einer zweiten Schutzgasquelle verbunden ist und einen zweiten Schutzgasvolumenstrom regelt. Dies lässt sich in der beabsichtigten konstruktiven Ausführung auf beliebig viele Schutzgasvolumenströme erweitern.
Ein Verhältnis der beiden Volumenströme wird durch angepasste Stellwerte, die beiden Stellgliedern zugeführt werden, eingestellt. Hierdurch ist es insbesondere möglich, die Zusammensetzung von Mischgasen gezielt zu beeinflussen, um die Lichtbogenstabilität und das Schweißergebnis zu verbessern.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit 1 näher erläutert.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Regelung zur zeitlichen Veränderung eines Schutzgasvolumenstroms.
In 1 ist ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Regelung zur zeitlichen Veränderung eines Schutzgasvolumenstroms Q_Schutz gezeigt.
Einerseits kann die Regelung als Programmcode in einem Speichermedium hinterlegt sein, beispielsweise in einem Festkörperspeicher oder auf einer Festplatte, und durch einen Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller ausgeführt werden. Andererseits ist es jedoch auch möglich, die Regelung als einen oder mehrere fest verdrahtete Schaltkreise zu realisieren. Ebenfalls sind Mischformen aus programmiertem Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller und fest verdrahteten Schaltkreisen möglich. Vorteile bei der Programmierung liegen in der flexiblen Anpassung der Regelung, während Vorteile bei der Festverdrahtung in der Laufzeit liegen, d. h. in der Anzahl der Regelzyklen, die pro Zeiteinheit durchlaufen werden können.
Im unteren Bereich von 1 ist auf der rechten Seite schematisch eine Rohrleitung angedeutet, die zumindest eine Schutzgasquelle (nicht gezeigt) mit einem Schweißbrenner (nicht gezeigt) verbindet. Beispielsweise kann es sich bei dieser schematischen Rohrleitung um einen Teil eines Schlauchpakets (nicht gezeigt) handeln, wobei das Schlauchpaket einen Schweißmaschine mit dem Schweißbrenner verbindet. Jedoch kann die Rohrleitung auch zwischen der Schutzgasquelle und der Schweißmaschine, oder in der Schweißmaschine selbst angeordnet sein.
In der Rohrleitung strömt der zu regelnde Schutzgasvolumenstrom Q_Schutz. Zur Einstellung eines bestimmten Schutzgasvolumenstroms Q_Schutz ist an zumindest einer Stelle der Rohrleitung zumindest ein Stellglied 9 eingebaut. Vorzugsweise besteht dieses Stellglied aus einem oder mehreren elektrisch zu betätigenden Ventilen mit drosselnden Eigenschaften. Je nach Ventilstellung sind mit der Ventilstrecke beliebige Schutzgasvolumenströme realisierbar. Die Ventilstrecke kann je nach Anforderung, d. h. gemäß der bevorzugten Zeitfunktion des Schutzgasvolumenstroms Q_Schutz, einstufig, mehrstufig als Kaskade oder parallel aufgebaut sein.
Wie durch den Pfeil in 1 angedeutet, strömt der Schutzgasvolumenstrom Q_Schutz in der Rohrleitung zum rechten Seitenrand von 1. Stromabwärts vom Stellglied 9 ist zumindest eine Messeinrichtung 10 angeordnet, die den momentanen Schutzgasvolumenstrom Q_Schutz bestimmt. Die Messeinrichtung 10 kann direkt in der Rohrleitung zwischen dem Stellglied 9 und der Schweißmaschine oder zwischen dem Stellglied 9 und dem Schweißbrenner installiert sein, kann beispielsweise jedoch auch in einem Nebenzweig der Rohrleitung angeordnet sein.
Um eine möglichst genaue Regelung zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn die Schutzgasstrecke zwischen dem Stellglied 9 und der Messeinrichtung 10 hinreichend kurz ist. Jedoch ist hierbei auch zu berücksichtigen, dass diese Schutzgasstrecke auf die Zykluszeit der Regelung abgestimmt ist, um einen stabilen Regelkreis zu ermöglichen.
Die Messeinrichtung 10 kann direkt den Schutzgasvolumenstrom Q_Schutz messen oder indirekt über den Rohreinbau, beispielsweise eine Blende, den Differenzdruck erfassen. In beiden Fällen wird ein entsprechendes, vorzugsweise elektrisches, Signal von der Messeinrichtung 10 erzeugt, das dem Istwert y des Schutzgasvolumenstroms Q_Schutz entspricht.
Im Fall der Differenzdruckmessung wird anhand von Kennlinien für die Regelung eine exakte Zuordnung von Druck p und Schutzgasvolumenstrom Q_Schutz erreicht. Das Zeitverhalten der Messeinrichtung 10 ist dabei gegenüber der Zeitfunktion des Schutzgasvolumenstroms Q_Schutz vernachlässigbar klein. Der Einbau der Messeinrichtung 10 erfolgt vorzugsweise ausschließlich auf der stromabwärtigen Seite des Stellglieds 9, um negative Einflüsse des Stellglieds 9 auf dessen stromaufwärtiger Seite auf eine dort platzierte Messeinrichtung bzw. den von der Messeinrichtung dort gemessenen Schutzgasvolumenstrom zu vermeiden.
Nachfolgend wird die eigentliche Regelung des Schutzgasvolumenstroms Q_Schutz mittels eines ersten Regelkreises 1 und eines zweiten Regelkreises 2 beschrieben.
Der erste Regelkreis 1 weist zumindest eine Regeleinrichtung 11 auf, durch die der Schutzgasvolumenstrom Q_Schutz gemäß einem ersten Sollwert w₁ zeitlich verändert wird. Die Regeleinrichtung 11 beinhaltet einen Regler 8, der beispielsweise als Proportional/Integral/Differenzial-Regler (PID-Regler) ausgebildet ist, sowie das Stellglied 9.
Der Regler 8 erhält als Eingangsgrößen den Istwert y des Schutzgasvolumenstroms Q_Schutz, der von der Messeinrichtung 10 ermittelt worden ist, sowie den ersten Sollwert w₁ bzw. eine reglerspezifische Führungsgröße x_reg, die auf dem ersten Sollwert w₁ basiert. Als Ausgangsgröße liefert der Regler 8 einen ersten Stellwert u₁, um den Schutzgasvolumenstrom Q_Schutz zu regeln. Insbesondere wird eine Regeldifferenz zwischen dem Istwert y und dem ersten Sollwert w₁ bzw. der reglerspezifischen Führungsgröße x_reg vom Regler 8 in den ersten Stellwert u₁ überführt.
Der erste Regelkreis 1 weist ferner einen ersten Pulsgenerator 4 auf. Als Eingangsgrößen erhält der erste Pulsgenerator 4 vorzugsweise eine Frequenz Freq sowie einen oder mehrere spezifische Parameter, die eine durch den ersten Pulsgenerator 4 zu erzeugende zeitliche Verlaufsfunktion definieren. Diese Eingangsgrößen können aus einer externen Quelle stammen oder direkt vom Anwender der Vorrichtung zum Schutzgasschweißen an dieser Vorrichtung eingegeben werden. Vorzugsweise sind die gewünschten Eigenschaften der zeitlichen Verlaufsfunktion als Eingabeparameter der Regelung bzw. die daraus resultierende Zeitfunktion des Schutzgasvolumenstroms Q_Schutz durch den Anwender frei programmierbar.
Vorzugsweise lässt sich die zeitliche Veränderung des Schutzgasvolumenstroms Q_Schutz definieren über die Frequenz Freq und eine zeitliche Verlaufsfunktion, den maximalen und den minimalen Schutzgasvolumenstrom, bzw. die Amplitude, und das Tastverhältnis zwischen Grund- und Pulszeit, wenn die zeitliche Verlaufsfunktion eine Rechteckfunktion ist. Über die daraus resultierenden Eigenschaften der Schutzgaspulse lassen sich die Eigenschaften des Lichtbogens und die darauf basierenden Effekte steuern. Diese Effekte sind für alle Schutzgasschweißverfahren relevant, und betreffen insbesondere das Metall-Inertgasschweißen (MIG), das Metall-Aktivgasschweißen (MAG) sowie das Wolfram-Inertgasschweißen (WIG), aber auch das Plasmaschweißen.
Beispielsweise kann der erste Pulsgenerator 4 daher als weitere Eingangsgrößen Extremwerte, d. h. ein oder mehrere Minimalwerten Min und/oder ein oder mehrere Maximalwerten Max einer zeitlichen Verlaufsfunktion erhalten. Auf Grundlage der Eingangsgrößen bzw. der zeitlichen Verlausfunktion erzeugt der erste Pulsgenerator 4 elektrische Pulse, die der gewünschten zeitlichen Veränderung, d. h. der Zeitfunktion des Schutzgasvolumenstroms Q_Schutz entsprechen, und gibt diese elektrischen Pulse als ersten Sollwert w₁ aus.
Es ist möglich, dass dieser erste Sollwert w₁ direkt als Eingangsgröße dem Regler 8 zugeführt wird. Vorzugsweise wird der erste Sollwert w₁ jedoch einem Skalierglied 6 zugeführt, durch das der erste Sollwert w₁ mittels einer oder mehrere Skaliergrößen oder einer Skalierungsfunktion in eine reglerspezifische Führungsgröße x_reg überführt wird. Diese reglerspezifische Führungsgröße x_reg wird dem Regler 8 vorzugsweise als weitere Eingangsgröße neben dem Istwert y zugeführt.
Wenn die Messeinrichtung 10 beispielsweise einen Differenzdruck bestimmt und diesen als Istwert y an den Regler 8 ausgibt, bietet es sich an, im Skalierglied 6 den ersten Sollwert w₁ gemäß einer exakten Zuordnung von Druck p und Volumenstrom Q bzw. Schutzgasvolumenstrom Q_Schutz zu skalieren und anschließend als reglerspezifische Führungsgröße x_reg an den Regler 8 auszugeben.
Die in 1 dargestellte Regelung enthält ferner den zweiten Regelkreis 2, durch den der erste Stellwert u₁, der vom Regler 8 ausgegeben worden ist, auf einen angepassten Stellwert u_ang geregelt wird. Der angepasste Stellwert u_ang wird dem Stellglied 9 zugeführt, um die Stellung des Stellglieds 9 entsprechend zu verändern und um im dargestellten Ausführungsbeispiel die Durchflussmenge des Schutzgasvolumenstroms Q_Schutz in der Rohrleitung zu verändern.
Generell ist es vorteilhaft, wenn ein oder mehrere erste Stellwerte und/oder ein oder mehrere angepasste Stellwerte aus einem oder mehreren vorherigen Regelzyklen als vorherige Stellwerte u_vor und/oder als vorherige, angepasste Stellwerte u_vorang in einem flüchtigen Speicher oder an einem nicht flüchtigen, überschreibbaren Speicher der Vorrichtung zum Schutzgasschweißen hinterlegt werden. Zumindest wird jedoch der erste Stellwert u₁ oder der angepasste Stellwert u_ang des letzten Zyklus vor oder am Stellglied 9 abgegriffen und dem zweiten Regelkreis 2 zugeführt.
Im zweiten Regelkreis 2 wird auf Grundlage zumindest eines vorherigen Stellwert u_vor oder eines angepassten Stellwerts u_vorang ein zweiter Sollwert w₂ bestimmt.
Vorzugsweise wird die zeitliche Taktung des ersten Regelkreises 1 mit der zeitlichen Taktung des zweiten Regelkreises 2 synchronisiert. Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn der zweite Regelkreis 2 einen zweiten Pulsgenerator 5 aufweist, der den zweiten Sollwert w₂ erzeugt, wobei beide Pulsgeneratoren 4, 5 mit derselben Frequenz Freq als Eingangsgröße betrieben werden. Hierzu wird beispielsweise der Frequenzeingang vor dem ersten Pulsgenerator 4 abgegriffen und mit dem zweiten Pulsgenerator 5 verbunden.
Zur Erzeugung des zweiten Sollwerts w₂ wird der zweite Pulsgenerator 5 vorzugsweise mit zumindest einer weiteren Eingangsgröße betrieben, die auf dem vorherigen Stellwert u_vor oder dem vorherigen, angepassten Stellwert u_vorang basiert. Bei dem vorherigen Stellwert u_vor bzw. dem vorherigen, angepassten Stellwert u_vorang kann es sich um Werte handeln, die unmittelbar vorher erzeugt worden sind, d. h. im letzten, unmittelbar vorangegangenen, vollständig durchlaufenen Regelzyklus. Jedoch kann es sich auch um Werte handeln, die vor mehr als einem vollständigen Regelzyklus erzeugt worden sind und zwischengespeichert worden sind. Werden Werte zwischengespeichert, können auch die Werte von mehreren vorangegangenen, unterschiedlichen Regelzyklen beispielsweise in einem Schieberegister zwischengespeichert werden und anschließend weiter verarbeitet werden.
Die Weiterverarbeitung kann beispielsweise durch Mittelwertbildung erfolgen. Hierzu ist in 1 ein Glied zur Mittelwertbildung 3 vorgesehen, in das der abgegriffene, vorherige Stellwert u_vor oder abgegriffene, vorherige, angepasste Stellwert u_vorang eingelesen wird.
Im konkreten Ausführungsbeispiel weist das Glied zur Mittelwertbildung 3 ein internes Register, beispielsweise ein Schieberegister, als Speichereinrichtung auf, in dem Werte der vorangegangenen Regelzyklen hinterlegt werden. Über diese hinterlegten Werte wird ein Mittelwert oder werden mehrere Mittelwerte gebildet. Jedoch sind auch andere Formen der Auswertung von Werten vorangegangener Regelzyklen möglich, um die Regelung mit adaptiven Eigenschaften zu versehen. Beispiele hierfür sind die Bestimmung des Medians, um eine gewisse Robustheit gegenüber Ausreißerwerten zu erzielen, oder die Bestimmung des Modalwerts.
Im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel werden zwei Mittelwerte gebildet, die als weitere Eingangsgrößen neben der Frequenz Freq dem zweiten Pulsgenerator 5 zugeführt werden. Insbesondere bei einer rechteckförmigen oder dreieckförmigen Zeitfunktion ist es von Vorteil, einerseits einen mittleren Grundwert AV_bas und andererseits einen mittleren Pulswert AV_puls im Glied zur Mittelwertbildung 3 zu bestimmen. Auf Grundlage dieser Mittelwerte, zusammen mit der Frequenz Freq, wird im zweiten Pulsgenerator 5 des Ausführungsbeispiels der zweite Sollwert w₂ bestimmt.
Vorzugsweise ist der Ausgang des zweiten Pulsgenerators 5 mit einem Eingang eines Adaptionsglieds 7 verbunden. Durch das Adaptionsglied 7 wird der zweite Sollwert w₂ mittels einer oder mehrerer Adaptionsgrößen oder einer Adaptionsfunktion in einen zweiten Stellwert u₂ überführt.
Der vom Adaptionsglied 7 ausgegebene zweite Stellwert u₂ wird mit dem ersten Stellwert u₁ zur Erzeugung des angepassten Stellwerts u_ang verrechnet. Vorzugsweise erfolgt diese Verrechnung der beiden Stellwerte u₁, u₂ additiv in einem Additionsglied. Jedoch sind auch andere Arten der Verrechnung möglich, beispielsweise Subtraktion oder eine gewichtete Mittelwertbildung.
Wird das Stellglied 9 gemäß dem zuvor ermittelten, angepassten Stellwert u_ang verstellt, um den Schutzgasvolumenstrom Q_Schutz zu verändern, ist ein Regelzyklus beendet. Im darauffolgenden Regelzyklus wird der veränderte Schutzgasvolumenstrom Q_Schutz durch die Messeinrichtung 10 bestimmt, und die zuvor beschriebene Regelung beginnt von Neuem. Der Durchlauf der aufeinanderfolgenden Regelzyklen, die Überwachung des Schutzgasvolumenstroms Q_Schutz durch die Messeinheit 10 und die Regelung desselben erfolgen vorzugsweise kontinuierlich.
Es ist möglich, dass die Skalierung im Skalierungsglied 6 und/oder die Adaption im Adaptionsglied 7 durch eine lineare Funktion erfolgt. Jedoch sind auch nicht-lineare Funktionen, beispielsweise quadratische Funktionen oder Exponentialfunktionen für die Skalierung bzw. Adaption geeignet.
Bei der zeitlichen Verlaufsfunktion des ersten Pulsgenerators 4, bzw. des zweiten Pulsgenerators 5 handelt es sich vorzugsweise um eine rechteckförmige Zeitfunktion. Jedoch sind auch andere nicht-stetige oder stetige Funktionen geeignet, beispielsweise dreieckförmige Funktionen oder Wellenfunktionen, wie Sinus bzw. Cosinus.
Die zuvor beschriebene Regelung kann in einer separaten Vorrichtung zum Schutzgasschweißen mit zeitlich veränderlicher Schutzgaszufuhr realisiert werden, wobei die Vorrichtung ein eigenes Gehäuse aufweist. Diese Vorrichtung wird dann in die Gasstrecke zwischengeschaltet. Des Weiteren ist ein modularer Aufbau möglich, bei dem Teilkomponenten (Stellglied 9, Messeinrichtung 10 und beide Regelkreise 1, 2) einzeln in bestehende Gerätetechnik integriert sind. Der Funktionsumfang bleibt jedoch jeweils unverändert.
Mit Hilfe des instationären Schutzgasvolumenstroms Q_Schutz gemäß der zuvor erläuterten Regelung wird eine definierte Veränderung der Lichtbogeneigenschaften erzielt. Dies wirkt sich unmittelbar auf die erzeugte Schmelzbadgeometrie und -dynamik aus. Im Ergebnis kann eine Reihe unterschiedlicher Effekte zum Schweißen genutzt werden.
Für das Verbindungsschweißen lassen sich ein tieferer Einbrand bzw. eine höhere Schweißgeschwindigkeit erzielen. Hinzu kommt eine erhöhte Prozesssicherheit und Lichtbogenstabilität, wodurch z. B. eine deutlich geringere Fehleranfälligkeit oder eine deutlich verbesserte Reproduzierbarkeit von Wurzelschweißungen erreicht werden.
Zum Auftragsschweißen lassen sich definierte Schmelzbadbewegungen für eine bessere Vermischung/Verteilung eingelagerter Hartstoffe nutzen. Durch einen veränderten Temperatur/Zeit-Verlauf bei der Erstarrung der Schmelze ist es möglich, gezielt Einfluss auf die Gefügeausbildung zu nehmen.
Obwohl dies in 1 nicht dargestellt ist, ist es auch möglich, dass der angepasste Stellwert u_ang zumindest einem Stellglied 9 zugeführt wird, durch das eine Gaszusammensetzung des Schutzgasvolumenstroms Q_Schutz über die Zeit verändert ist. Somit ist die zuvor erläuterte Regelung auch für die Veränderung der Zusammensetzung von Mischgasen vorteilhaft.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Regeleinrichtung 11 zumindest ein erstes Stellglied, das mit einer ersten Schutzgasquelle (nicht gezeigt) verbunden ist und einen ersten Schutzgasvolumenstrom regelt, sowie ein zweites Stellglied, das mit einer zweiten Schutzgasquelle (nicht gezeigt) verbunden ist und einen zweiten Schutzgasvolumenstrom regelt, umfasst. Ein Verhältnis der beiden Schutzgasvolumenströme wird durch angepasste Stellwerte, die beiden Stellgliedern zugeführt werden, eingestellt.
Für die Vorrichtung zur Veränderung der Zusammensetzung des Mischgases ist, wie zuvor erläutert, die Regelung des Volumenstroms mehrerer Schutzgase erforderlich. Je nach Anzahl der Komponenten des Gasgemischs kann die Vorrichtung um beliebig viele, modifizierte Gasstrecken erweitert werden, in denen die Teil-Volumenströme geregelt werden. Dabei sollten die Teilleitungen zusätzlich über Sperrventile separat gesichert werden, um Rückflüsse oder unkontrollierte Gasvermischungen zu vermeiden.
Mit der gezielten periodischen Veränderung der Gaszusammensetzung lassen sich ähnlich Effekte erzielen, wie bei der zeitlichen Veränderung der Gasdurchflussmenge, jedoch können diese Effekte verstärkt auftreten. Auch ist es möglich, sowohl die gesamte Gasdurchflussmenge als auch die Gaszusammensetzung, d. h. das Verhältnis der einzelnen Gaskomponenten, gleichzeitig gemäß den obigen Erläuterungen in ihren zeitlichen Verläufen zu verändern.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen ein Verfahren zum Schutzgasschweißen mit zeitlich veränderlicher Schutzgas-/Prozessgaszufuhr, wobei mittels eines ersten Regelkreises 1 zumindest eine Regeleinrichtung 11, durch die ein Schutzgasvolumen Q_Schutz bzw. ein Prozessgasvolumenstrom gemäß einem ersten Sollwert w₁ zeitlich verändert wird, auf einen ersten Stellwert u₁ geregelt wird, und der erste Stellwert u₁ mittels eines zweiten Regelkreises 2 auf einen angepassten Stellwert u_ang geregelt wird. Mit diesem Regelsystem kann darüber hinaus auch die Schutzgas-/Prozessgaszusammensetzung zeitlich verändert geregelt werden.

Claims

Verfahren zum Schutzgasschweißen mit zeitlich veränderlicher Schutzgaszufuhr, wobei mittels eines ersten Regelkreises (1) zumindest eine Regeleinrichtung (11), durch die ein Schutzgasvolumenstrom (Q_Schutz) gemäß einem ersten Sollwert (w₁) zeitlich verändert wird, auf einen ersten Stellwert (u₁) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stellwert (u₁) mittels eines zweiten Regelkreises (2) auf einen angepassten Stellwert (u_ang) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der angepasste Stellwert (u_ang) auf einem zweiten Sollwert (w₂) basiert, der im zweiten Regelkreis (2) auf Grundlage zumindest eines vorherigen Stellwerts (u_vor) oder zumindest eines vorherigen, angepassten Stellwerts (u_vorang) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Taktung des ersten Regelkreises (1) mit einer zeitlichen Taktung des zweiten Regelkreises (2) synchronisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Regelkreis (1) einen ersten Pulsgenerator (4) aufweist, der den ersten Sollwert (w₁) erzeugt, der zweite Regelkreis (2) einen zweiten Pulsgenerator (5) aufweist, der den zweiten Sollwert (w₂) erzeugt, und beide Pulsgeneratoren (4, 5) mit derselben Frequenz (Freq) als Eingangsgröße betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Pulsgenerator (4) zur Erzeugung des ersten Sollwerts (w₁) mit Extremwerten (Min, Max) einer zeitlichen Verlaufsfunktion als weitere Eingangsgrößen betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Pulsgenerator (5) zur Erzeugung des zweiten Sollwerts (w₂) mit zumindest einer weiteren Eingangsgröße betrieben wird, die auf dem vorherigen Stellwert (u_vor) oder dem vorherigen, angepassten Stellwert (u_vorang) basiert.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf vorherigen Stellwerten (u_vor) oder vorherigen, angepassten Stellwerten (u_vorang) zumindest ein Mittelwert (AV_bas, AV_puls) als weitere Eingangsgröße bestimmt wird, mit dem der zweite Pulsgenerator (5) betrieben wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sollwert (w₂) mittels einer Adaptionsgröße oder einer Adaptionsfunktion (7) in einen zweiten Stellwert (u₂) überführt wird, und der zweite Stellwert (u₂) mit dem ersten Stellwert (u₁) zur Erzeugung des angepassten Stellwerts (u_ang) verrechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Stellwert (u₁, u₂) miteinander addiert werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sollwert (w₁) mittels einer Skalierungsgröße oder einer Skalierungsfunktion (6) in eine reglerspezifische Führungsgröße (x_reg) überführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Schutzgasvolumenstrom (Q_Schutz) mittels einer Messeinrichtung (10) direkt oder indirekt bestimmt wird und als Istwert (y) einem Regler (8) der Regeleinrichtung (11), vorzugsweise einem PID-Regler, zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeldifferenz zwischen dem Istwert (y) und dem ersten Sollwert (w₁) vom Regler (8) in den ersten Stellwert (u₁) überführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der anpasste Stellwert (u_ang) einem Stellglied (9) zugeführt wird, durch das eine Gasdurchflussmenge des Schutzgasvolumenstroms (Q_Schutz) über die Zeit verändert wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der angepasste Stellwert (u_ang) zumindest einem Stellglied (9) zugeführt wird, durch das eine Gaszusammensetzung des Schutzgasvolumenstroms (Q_Schutz) über die Zeit verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (11) zumindest ein erstes Stellglied, das mit einer ersten Schutzgasquelle verbunden ist und einen ersten Schutzgasvolumenstrom regelt, und ein zweites Stellglied, das mit einer zweiten Schutzgasquelle verbunden ist und einen zweiten Schutzgasvolumenstrom regelt, umfasst, und ein Verhältnis der beiden Volumenströme durch angepasste Stellwerte, die beiden Stellgliedern zugeführt werden, eingestellt wird.