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Die Erfindung bezieht sich auf ein Schweißverfahren, bei dem in einem Lichtbogen-Schweißprozess in einer Phase mit gepulstem Schweißstrom der Verlauf der Einzelpulse spannungsgeführt über einen ersten Regelkreis mit einem ersten Soll-/Istwert-Vergleich geregelt wird, sowie auf ein entsprechend ausgebildetes Schweißgerät.
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Ein derartiges Schweißverfahren bzw. Schweißgerät zum Schweißen mit pulsierendem Lichtbogen, wobei im Bereich der Schweißstelle mittels einer Steuerungseinrichtung und eines Leistungsteils eine gepultste Schweißspannung und damit auch ein gepultster Schweißstrom bewirkt werden, ist in der
EP 0 873 810 B1 angegeben. Bei diesem bekannten Verfahren wird der Schweißstrom oder die Schweißspannung mittels einer Impulswellenformgruppe zum Bilden einer vorbestimmten Tropfenmenge mit einem Impulseinstellwert gesteuert und zum Verkürzen einer Lichtbogenlänge zwischen dem Tropfen und einem Basismetall ein Basiseinstellwert einer Basisperiode vorgegeben.
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Ein weiteres Schweißverfahren und ein Schweißgerät, bei dem ein pulsierender Lichtbogen zum Durchführen eines Impulsschweißprozesses erzeugt wird, ist in der
EP 1 607 162 B1 gezeigt. Hierbei wird zwischen einer vorrückenden Elektrode und einem Werkstück ein spannungsgetriebener Strom erzeugt, wobei mittels einer Kurzschlussdetektorschaltung beim Auftreten eines Kurzschlusses ein erstes und ein zweites Signal sowie ein Plasma-Boost-Impuls erzeugt werden. Nach dem ersten Signal wird der Strom vor dem Plasma-Boost-Impuls erhöht.
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Bei einem in der
DE 28 07 215 A1 gezeigten weiteren Schweißverfahren und einer Schweißstromquelle für das Lichtbogenschweißen mit pulsierendem Strom sind zwei Gleichstromquellen vorgeschlagen, wobei die erste Gleichstromquelle einen konstanten Grundstrom und die zweite Gleichstromquelle diesem überlagerte Stromimpulse erzeugen.
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Auch die
DE 42 28 589 C2 zeigt ein Schweißverfahren und ein Schweißgerät mit gepulster Betriebsart.
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Da der Schweißprozess ein komplexer Vorgang ist, der vielfältigen Einflussgrößen unterliegt, ist es schwierig, bei verschiedenen Schweißaufgaben stets eine hohe Prozessstabilität zu erzielen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schweißverfahren und ein Schweißgerät bereit zu stellen, mit dem eine möglichst hohe Prozessstabilität erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 8 gelöst.
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Bei dem Schweißverfahren ist vorgesehen, dass mittels eines den ersten Regelkreis überlagernden zweiten Regelkreises eine vorgegebene mittlere Schweißspannung eingeregelt wird, wobei ein dem ersten Soll-/Istwert-Vergleich zugeführter Pulsspannungssollwert in der Weise nachgeführt wird, dass sich die vorgegebene mittlere Schweißspannung einstellt.
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Bei dem Schweißgerät ist in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs vorgesehen, dass die Regelungseinrichtung in der Weise ausgebildet ist, dass in einer Pulsphase eine Pulssollspannung solchermaßen nachgeführt wird, dass sich ein konstanter mittlerer Istwert der Schweißspannung an der Schweißstelle einstellt. Hierbei wird der mittlere Istwert in Form der mittleren Schweißspannung beispielsweise als integrierter Wert über mehrere Impulse ermittelt. In Betracht kommt auch eine andere Mittelwertbildung, z. B. rechnerisch mittels Software als arithmetischer Mittelwert, oder als Effektivwert.
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In eingehenden Untersuchungen der Erfinder hat sich gezeigt, dass hohe Schweißströme zur Stabilisierung der Lichtbogensäule führen und ein kurzer Lichtbogen eine hohe Prozessstabilität bietet. Ausgehend von dieser Erkenntnis wurde der gepulste Schweißprozess, insbesondere der sogenannte UI(Spannungs-Strom)-Pulsprozess, hinsichtlich der Regelung des Schweißprozesses durch die genannten kennzeichnenden Merkmale weiter entwickelt, wobei der den ersten Regelkreis überlagende zweite Regelkreis eine übergeordnete Regelung mit langsamerer Korrektur, nämlich durch die Einregelung einer vorgegebenen mittleren Schweißspannung, bewirkt. Die Pulsspannung ist ein Maß für die Lichtbogenlänge, so dass diese pro Schweißspannungspuls ohne Zeitverlust konstant gehalten wird. Dabei ist der Pulsstrom entsprechend variabel und die Tropfengröße variiert. Die spannungsgeführten Einzelpulse ermöglichen eine kurze Lichtbogenlänge. Durch die Einregelung der mittleren Schweißspannung mittels des den ersten Regelkreis überlagernden zweiten Regelkreises gelingt es, die Lichtbogenlänge zu verkürzen und damit eine erhöhte Stabilität des Schweißprozesses zu erreichen, wie sich in den Untersuchungen der Erfinder gezeigt hat.
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Eine vorteilhafte Maßnahme besteht dabei darin, dass die mittlere Schweißspannung konstant vorgegeben wird.
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Eine weitere vorteilhafte Vorgehensweise besteht darin, dass der Pulsspannungssollwert und ein dem zweiten Regelkreis für einen zweiten Soll-/Istwert-Vergleich zugeführter Soll-Spannungsmittelwert zum Einregeln der mittleren Schweißspannung in Abhängigkeit von einem jeweiligen Eingangsgrößenensemble vorgegeben werden.
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In weiteren Untersuchungen hat sich gezeigt, dass sich das Schweißverfahren dadurch optimieren lässt, dass das Eingangsgrößenensemble zum Vorgeben des Pulsspannungssollwerts zumindest zwei der Eingangsgrößen Pulssollspannung aus einer zuvor ermittelten, abgespeicherten Kennlinie, Lichtbogenlängenkorrektur und Zwischenschlauchpaketkompensation umfasst und dass das weitere Eingangsgrößenensemble zum Vorgeben des Soll-Spannungsmittelwerts zumindest zwei der Eingangsgrößen mittlere Spannung aus einer zuvor ermittelten, abgespeicherten Kennlinie, Lichtbogenlängenkorrektur und Zwischenschlauchkompensation umfasst. Die abgespeicherten Kennlinien werden vorteilhaft durch situationsbezogenes Einschweißen erhalten und auch die übrigen Eingangsgrößen der Eingangsgrößenensembles können vorteilhaft empirisch ermittelt werden. Ist die Regelung zumindest weitgehend durch Software realisiert, ergeben sich vorteilhafte Anpassungsmöglichkeiten.
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Weitere vorteilhafte Maßnahmen für die Regelung bestehen darin, dass ein dem ersten Soll-/Istwert-Vergleich zugeführter innerer rückgekoppelter Istwert am Ausgang des ersten Regelkreises abgegriffener pulsförmiger Istwert der Schweißspannungspulse ist.
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Eine für die Regelung weitere vorteilhafte Maßnahme besteht darin, dass ein in dem zweiten Regelkreis dem zweiten Soll-/Istwert-Vergleich zugeführter äußerer rückgekoppelter Istwert als pulsförmiger Istwert der Schweißspannungspulse abgegriffen und durch Mittelung über mehrere Schweißspannungspulse gebildet wird.
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Zum Erreichen einer hohen Prozessstabilität tragen des Weiteren die Maßnahmen bei, dass die Ausgangsgröße des zweiten Soll-/Istwert-Vergleichs verstärkt wird und als verstärkter Rückkopplungswert einem dritten Soll-/Istwert-Vergleich zugeführt wird, deren Sollwert aus mindestens zwei Eingangsgrößen des ersten Eingangsgrößenensembles gebildet ist und deren Ausgangsgröße den dem ersten Soll-/Istwert-Vergleich zugeführten Pulsspannungssollwert bildet.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Schweißgerät mit vorteilhafter Regelungsstruktur wird dadurch erhalten, dass die Regelungseinrichtung zum Einregeln der Schweißspannungsimpulse einen ersten Regelkreis und zum Einregeln der mittleren Schweißspannung einen dem ersten Regelkreis überlagerten zweiten Regelkreis aufweist, wobei der erste Regelkreis einen inneren Regelkreis und der zweite Regelkreis einen äußeren Regelkreis bilden.
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Weitere für den Aufbau der Regelung vorteilhafte Maßnahmen bestehen darin, dass der erste Regelkreis einen ersten Soll-/Istwert-Vergleicher aufweist, dem als Sollwert ein Pulsspannungssollwert und als Istwert ein innerer rückgekoppelter Istwert zugeführt ist, der aus dem Istwert der Schweißspannungspulse gebildet ist, dass der zweite Regelkreis einen zweiten Soll-/Istwert-Vergleicher aufweist, dem als Sollwert ein Soll-Spannungsmittelwert zugeführt ist, welcher in Abhängigkeit zumindest zweier Eingangsgrößen umfassend eine mittlere Spannung aus einer zuvor ermittelten, abgespeicherten Kennlinie, eine Lichtbogenlängenkorrektur und eine Zwischenschlauchkompensation eingestellt ist, und als Istwert ein äußerer rückgekoppelter Istwert zugeführt ist, der als pulsförmiger Istwert der Schweißspannungspulse abgegriffen und durch Mittelung über mehrere Schweißspannungspulse gebildet ist, dass der zweite Regelkreis einen dritten Soll-/Istwert-Vergleicher aufweist, dessen Sollwert aus mindestens zweien der Eingangsgrößen Pulssollspannung aus einer zuvor ermittelten, abgespeicherten Kennlinie, Lichtbogenlängenkorrektur und Zwischenschlauchkompensation gebildet ist und dessen Istwert durch eine verstärkte Ausgangsgröße des zweiten Soll-/Istwert-Vergleichers als verstärkter Rückkopplungswert gebildet ist und dass der dem ersten Soll-/Istwert-Vergleicher zugeführte Pulsspannungssollwert die Ausgangsgröße des dritten Soll-Istwert-Vergleichers ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Schweißkreises mit Komponenten des Schweißgerätes und
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2 die Struktur einer Regelungseinrichtung für einen UI(Spannungs-Strom)-Pulsprozess.
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1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Schweißkreis 3 mit einem Leistungsteil 10 eines Schweißgerätes 2, einem Schweißkreiswiderstand, einem Lichtbogenwiderstand und einer sich für verschiedene Fallgebiete ergebenden Spannung, wodurch sich in dem Schweißkreis 3 ein entsprechender Schweißstrom ergibt.
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Zur Führung des Schweißprozesses ist eine Steuerungseinrichtung 20 mit einer Regelungseinrichtung vorgesehen. Der Schweißkreis 3 besitzt in der Regel eine Länge von mehreren Metern, wobei die Länge eines kleinen Schweißkreises z. B. 15 m mit einem Schweißkreiswiderstand von beispielsweise 30 mΩ und die Länge eines großen Schweißkreises z. B. 30 m mit einem Schweißkreiswiderstand von 60 mΩ betragen kann, wobei die Widerstandswerte beispielhafte grobe Schätzwerte darstellen. Der Lichtbogenwiderstand kann beispielsweise 20 mΩ betragen, während der Schweißstrom in einer Grundstromphase z. B. 100 A und in einer Pulsphase 500 A beträgt. Für einen kleinen Schweißkreis ergibt sich dann für die Spannung des Leistungsteils in der Grundstromphase 19 V und in der Pulsphase 3 V, während für einen großen Schweißkreis sich eine Spannung von 22 V in der Grundstromphase und von 54 V in der Pulsphase ergibt, die das Leistungsteil 10 bereitstellen muss. Beispielsweise beträgt dann bei einer Pulsfrequenz von 160 Hz und einer Pulszeit von 1,4 ms die mittlere Spannung für den kleinen Schweißkreis 23,5 V und für den großen Schweißkreis 29,2 V. In dem gezeigten Beispiel erhöht sich also die mittlere Spannung des großen Heizkreises, wie er beim Einbau eines langen Zwischenschlauchpaketes (ZwiPa) vorliegt, gegenüber einem kleinen Schweißkreis mit einem kurzen Zwischenschlauchpaket um ca. 5,7 V. Bei einem UI-Schweißprozess muss dann die Pulsspannung um ca. 15 V angehoben werden, um wieder gleiche Bedingungen wie bei dem kleinen Schweißkreis herzustellen, wenn ein großer Schweißkreis verwendet wird. Um einen solchen Einfluss der Schweißkreisverlängerung durch das Zwischenschlauchpaket zu kompensieren, kann bei der Regelung ein Faktor eingegeben werden, welcher sich direkt auf die Pulsspannung auswirkt.
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Die Berechnung der Spannungen auf der Basis des vereinfachten Ersatzschaltbildes belegt einen großen Einfluss der ohmschen Widerstandsanteile, z. B. durch das Schlauchpaket oder einen sogenannten Stickout, auf die jeweilige Spannung an den Klemmen (Buchsen am Gerät). Insbesondere in einer spannungsgeführten Hochstrompulsphase wirken sich geringfügige Widerstandsänderungen stark auf die an den Klemmen gemessene Spannung in der Pulsphase aus. Die mittlere Spannung hingegen wird nur geringfügig geändert.
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Bei dem vorliegenden Schweißverfahren und dem dieses ausführenden Schweißgerät 2 wird eine Regelstrategie und eine dieser entsprechende Regelstruktur angewendet, wie in 2 gezeigt. Die Regelungseinrichtung 200 weist hierzu einen ersten Regelkreis 22 und einen zweiten Regelkreis 23 auf, die eine gemeinsame Regelstrecke 21 umfassen, wobei der erste Regelkreis 22 einen inneren Regelkreis und der zweite Regelkreis 23 einen diesen überlagernden äußeren Regelkreis bilden. Im Anschluss an einen ersten Soll-/Istwert-Vergleicher 11 sind in der Regelstrecke betreffende Regelglieder, vorliegend ein erstes Regelglied 202, ein zweites Regelglied 203 und ein weiteres Regelglied 204 angeordnet, an deren Aus-gang ein eingeregelter Istwert 205 gebildet wird, welcher vorliegend den Schweißspannungspulsen an der Schweißstelle entspricht. Der am Ausgang der Regelungseinrichtung 200 abgegriffene Istwert 205 wird über ein Rückkopplungsglied 220 in dem ersten Regelkreis 22 als ein innerer rückgekoppelter Istwert 222 dem ersten Soll-/Istwert-Vergleicher 11 zugeführt, dem als Sollwert ein Pulsspannungssollwert 201 zugeführt wird, um über die Regelstrecke 21 die Abweichung des inneren rückgekoppelten Istwerts 221 von dem Pulsspannungssollwert den pulsförmigen Istwert 205 der Schweißspannungspulse einzuregeln.
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In dem zweiten Regelkreis 23 wird der pulsförmige Istwert 205 in Form der Schweißspannungspulse über ein weiteres Rückkopplungsglied 230 als äußerer rückgekoppelter Istwert 231 einem zweiten Soll-/Istwert-Vergleicher 12 in dem Rückkopplungszweig des zweiten Regelkreises 23 zugeführt, dem als Sollwert ein Soll-Spannungsmittelwert 253 zugeführt wird, um eine Regelabweichung zu erfassen. Die Regelabweichung bzw. das Ausgangssignal des zweiten Soll-/Istwert-Vergleichers 12 wird über eine Verstärkereinheit 232 als verstärkter Rückkopplungswert 233 einem weiteren Soll-/Istwert-Vergleicher 13 zugeführt, dem bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein erstes Eingangsgrößenensemble 24 von Eingangsgrößen als Sollwert zugeführt wird. Stattdessen kommt auch ein aus nur einer Eingangsgröße gebildeter Sollwert in Betracht. Die Ausgangsgröße des weiteren Soll-/Istwert-Vergleichers 13 bildet den Pulsspannungssollwert 201 für den ersten Soll-/Istwert-Vergleicher 11. Der Soll-Spannungsmittelwert 253 an dem zweiten Soll-/Istwert-Vergleicher 12 wird vorzugsweise aus einem weiteren Eingangsgrößenensemble 25 gebildet, kann aber alternativ aus nur einer Eingangsgröße gebildet sein.
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Das erste Eingangsgrößenensemble 24 umfasst eine Pulssollspannung 240, die aus betreffenden Kennlinien bzw. Tabellen bereitgestellt wird, die zuvor durch Einschweißen unter verschiedenen Schweißbedingungen erhalten und in einer Speichereinrichtung des Schweißgeräts 2, insbesondere der Steuerungseinrichtung 20 abgespeichert sind. Ferner umfasst das erste Eingangsgrößenensemble 24 eine Lichtbogenlängenkorrektur 241 und eine Zwischenschlauchpaketkompensation 242. Das weitere Eingangsgrößenensemble 25 umfasst eine mittlere Spannung 250, die weiteren Kennlinien bzw. Tabellen entnommen wird, welche zuvor durch Einschweißen unter verschiedenen Bedingungen gewonnen und ebenfalls in der Speichereinrichtung hinterlegt sind. Ferner umfasst das weitere Eingangsgrößenensemble 25 eine Lichtbogenlängenkorrektur 251 und eine Zwischenschlauchkompensation 252, die der Lichtbogenlängenkorrektur 241 bzw. der Zwischenschlauchpaketkompensation 242 entsprechen können. Die Eingangsgrößen des ersten Eingangsgrößenensembles 24 und des weiteren Eingangsgrößenensembles 25 können über jeweilige Verstärkungsglieder verstärkt werden, um die daraus gebildeten Sollwerte geeignet vorgeben zu können.
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Mittels der Regelungseinrichtung 200 wird auf diese Weise ein Korrekturfaktor zum Einriegeln einer mittleren Schweißspannung in Form der pulsförmigen Istwerte der Schweißspannungspulse eingeregelt. Durch diese Regelungsstrategie wird eine hohe Stabilität des Schweißprozesses mit einem Lichtbogen erzeugt, der nahezu unempfindlich gegenüber äußeren Störungen ist, auch wenn Werkstoffübergänge im Kurzschluss erfolgen, wie es häufig der Fall ist. Demgemäß werden die vorstehend genannten Kennlinien u. a. auch unter kurzschlussbehafteten Lichtbogen eingeschweißt und gespeichert. Die hohe Prozessstabilität ist beispielsweise unter dem Einfluss äußerer magnetischer Felder wie bei der Blaswirkung deutlich sichtbar. Neben dem stabilen Lichtbogen ohne Lichtbogenablenkung sind weitere Vorteile ein geringer Wärmeeintrag, Vermeidung von Einbrandkerben, weniger UV-Strahlung, geringe Spritzerbildung und ein gut führbarer Lichtbogen. Es wird ein kurzer Lichtbogen erreicht, der eine hohe Prozessstabilität bietet.
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Die UI-Prozessführung auf der Basis der beschriebenen Regelungsstrategie beruht auf einem rein spannungsgeführten Prozess in der Pulsphase, wobei durch die Wirkung des überlagerten Reglers auch bei kurzschlussbehafteten Lichtbogen eine hohe Prozessstabilität gewährleistet ist. Für die exakte Ausführung und Funktionsweise des Schweißprozesses ist dabei die korrekte Vorbesetzung der Pulssollspannung 201 sowie des Soll-Spannungsmittelwerts 253 als Führungsgröße wichtig. Die zwei Werte werden abhängig von den genannten unterschiedlichen Eingangsgrößen voreingestellt. Dabei ergeben sich unterschiedliche Verstärkungen bzw. Hebel für die unterschiedlichen Arten der Korrektur. Insbesondere am Beginn der Schweißung, wenn der Regler langsam zu arbeiten beginnt, sind falsch vorbesetzte Werte deutlich spürbar.
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Der durch die Regelungseinrichtung 200 gebildete Regler ist derart ausgelegt, dass der Pulsspannungssollwert 201 solchermaßen nachgeführt wird, dass sich eine konstante mittlere Schweißspannung einstellt. Beim Einschweißen der Kennlinien, bei dem eine dafür geeignete Software verwendet wurde, sind unterschiedliche neue Parameter wie kurzschlussbehaftete Situationen eingeflossen, um die Kennlinien zu erhalten. Es wurden Kennlinien für Stahl und Kennlinien für CrNi-Materialien aufgenommen. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere für Stahl mit der vorstehend beschriebenen UI-Prozessführung vorteilhaft eine Verringerung der Lichtbogenleistung und damit eine verringerte Streckenenergie erreicht wurde bzw. bei gleicher elektrischer Leistung gegenüber bisherigen Verfahren eine erhöhte Leistungsfähigkeit (messbar in Drahtabschmelzleistung, weniger Einbrandkerben).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0873810 B1 [0002]
- EP 1607162 B1 [0003]
- DE 2807215 A1 [0004]
- DE 4228589 C2 [0005]
