DE102020213760B4

DE102020213760B4 - Verfahren und Gerät zum Lichtbogenschweißen eines Werkstückes

Info

Publication number: DE102020213760B4
Application number: DE102020213760.9A
Authority: DE
Inventors: Dominik Söllinger
Original assignee: Fronius International GmbH
Current assignee: Fronius International GmbH
Priority date: 2020-11-02
Filing date: 2020-11-02
Publication date: 2023-07-27
Anticipated expiration: 2040-11-03
Also published as: DE102020213760A1

Abstract

Lichtbogenschweißverfahren zum Schweißen eines Werkstückes (W) mittels eines zwischen einer Schweißdrahtelektrode (3) und dem Werkstück (W) bestehenden Lichtbogens (LB), dessen Lichtbogenlänge (LBL) während eines Schweißpulszyklus (SZ) in Abhängigkeit einer Messgröße (MG) geregelt wird, wobei die Regelung der Lichtbogenlänge (LBL) des Lichtbogens (LB) für mindestens einen nachfolgenden Schweißpulszyklus (SZ) automatisch deaktiviert wird, sobald ein abnormaler Messgrößenverlauf der Messgröße (MG) detektiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zum Lichtbogenschweißen eines Werkstückes mit einer automatischen dynamischen Deaktivierung einer Lichtbogenlängenregelung.
Die DE 299 09 056 U1 beschreibt eine Anordnung zur Regelung der Lichtbogenlänge beim Schweißen. Es ist ein Algorithmus einer gespeicherten Lichtbogenkennlinie entsprechen Schweißparametern wählbar. Aufgrund der ausgewählten Lichtbogenkennlinie und einer eingestellten Lichtbogenlänge wird in Abhängigkeit erfasster Istwerte ein Motorstellglied für die Lichtbogenlänge geregelt.
Die EP 1782906 A1 beschreibt ein Steuerverfahren für Lichtbogenschweißen mit einer verbrauchbaren Schweißdrahtelektrode, wobei eine der Schweißspannung überlagerte abnormale Spannung zur Stabilisierung des Scheißvorganges entfernt wird.
Die JP 2018008304 A beschreibt eine Schweißverfahren bei dem ein Schweißdraht zugeführt wird, wobei Zuführgeschwindigkeit des Schweißdrahtes zeitweise reversiert wird und dies in Abhängigkeit einer Schweißspannung erfolgt, von der eine abnormale Spannung abgezogen bzw. entfernt wird.
Die JP 2006167767A beschreibt ein Lichtbogensteuerverfahren für Pulslichtbogenschweißen zur genauen Steuerung der Lichtbogenlänge bei eine abnormale der Schweißspannung überlagerte Spannung entfernt wird.
Das Lichtbogenschweißverfahren ist ein Fügeverfahren zur Herstellung von unlösbaren Schweißverbindungen. Dabei wird zum Schweißen ein Lichtbogen genutzt, der zwischen einer Schweißelektrode und dem Werkstück gezündet wird. Beim Lichtbogenschweißen brennt der elektrische Lichtbogen zwischen dem Werkstück und der Schweißelektrode, welche abschmelzen kann und dabei gleichzeitig als Zusatzwerkstoff dient. Zusätzlich können auch Schutzgase verwendet werden, die die Schweißelektrode und das Schmelzbad an der Schweißstelle umströmen und somit die Schweißstelle vor Oxidation schützen.
Bei herkömmlichen Lichtbogenschweißverfahren kann die Lichtbogenlänge des gezündeten Lichtbogens in Abhängigkeit eines Stickouts der Schweißdrahtelektrode geregelt werden. Das Stickout beschreibt die Länge der Drahtelektrode von der Gasdüse bis zum Lichtbogenansatz. Der Kontaktpunkt bis zum Lichtbogenansatz bildet das freie Drahtende. Es gibt weitere konventionelle Verfahren zum Regeln der Lichtbogenlänge, welche dem Fachmann bekannt sind. Der Lichtbogen brennt beim Schweißen zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück. Aufgrund hoher Plasmatemperaturen schmilzt der Grundwerkstoff des Werkstückes und der Zusatzwerkstoff ab. Die Lichtbogenlänge bezeichnet den Abstand zwischen dem Punkt, an welchem der Lichtbogen an der Schweißdrahtelektrode ansetzt, bis zu demjenigen Punkt, an dem der Lichtbogen an dem Werkstück auftrifft. Die Spannung ist dabei ein charakteristisches Maß für die Lichtbogenlänge. Die gemessene Spannung beinhaltet auch den Spannungsabfall am freien Drahtende. Die Spannung wird somit herkömmlicherweise als Messgröße für die Lichtbogenlängenregelung herangezogen. Die Lichtbogenlänge wird bei einer herkömmlichen MIG/MAG-Schweißprozessregelung in Abhängigkeit des Stickouts derart geregelt, dass sie annähernd konstant gehalten wird. Bei einem herkömmlichen MIG/MAG-Schweißprozess kann dies beispielsweise in der Weise implementiert werden, dass zu jedem Abtastschritt oder auch bei definierten Schweißprozessphasen eine Messgröße, insbesondere die Schweißspannung, bestimmt wird und anschließend zum Regeln der Lichtbogenlänge herangezogen wird. Beispielsweise wird bei stromgeführten Regelungen die Schweißspannung gemessen und anschließend der von der Schweißstromquelle erzeugte Schweißstrom oder die Drahtvorschubgeschwindigkeit geregelt, um so eine konstante Lichtbogenlänge des Lichtbogens zu erhalten.
In 7 wird das Prinzip der Lichtbogenregelung bei einem herkömmlichen MIG/MAG-Schweißprozess dargestellt. Ein Kontaktrohr, welches von einer Schweißgasdüse umschlossen wird, führt eine Schweißdrahtelektrode SDE der Schweißstelle zu. Zwischen der Spitze der Schweißdrahtelektrode SDE und der Oberfläche des Werkstückes W wird ein Lichtbogen LB gezündet, dessen Länge konstant geregelt wird. Während in 7 links das freie Ende der Schweißdrahtelektrode SDE relativ kurz ist, ist in 7 rechts das freie Ende der Schweißdrahtelektrode SDE relativ lang. In beiden Fällen ist die Lichtbogenlänge LBL des erzeugten Lichtbogens LB gleich groß. In vielen Anwendungen ist eine derartige herkömmliche Schweißprozessregelung ausreichend.
Falls jedoch bei einem Lichtbogenschweißverfahren in besonderen Anwendungsfällen ein besonderes Schutzgas SG verwendet wird, das einen geringen Aktivgasanteil besitzt, liefert die Schweißspannung U als Messgröße MG bezüglich einer Lichtbogenlängenregelung oft nicht in allen Schweißprozessphasen einen eindeutigen Signalverlauf. Diese Signalverlaufsstörung der Schweißspannung U als Messgröße kann dabei zumeist darauf zurückgeführt werden, dass in dem Lichtbogen LB eine Unregelmäßigkeit auftritt, wodurch sich der Spannungsverlauf der Messspannung U ändert. Hierdurch kann die Lichtbogenlängenregelung gestört und die Qualität einer hergestellten Schweißnaht SN demzufolge vermindert werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen eines Werkstückes in einem Lichtbogenschweißprozess zu schaffen, welcher unvorhersehbaren Signalverlaufsstörungen einer Messgröße, insbesondere bei Verwendung eines Schutzgases mit niedrigem Aktivgasanteil, Rechnung trägt und somit die Qualität der hergestellten Schweißnaht SN erhöht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lichtbogenschweißverfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft demnach ein Lichtbogenschweißverfahren zum Schweißen eines Werkstückes mittels eines zwischen einer Schweißdrahtelektrode und dem Werkstück bestehenden Lichtbogens, dessen Lichtbogenlänge während eines Schweißpulszyklus in Abhängigkeit einer Messgröße geregelt wird, wobei die Regelung der Lichtbogenlänge des Lichtbogens für mindestens einen nachfolgenden Schweißpulszyklus automatisch deaktiviert wird, sobald ein abnormaler Messgrößenverlauf der Messgröße detektiert wird.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens weist die Messgröße eine zwischen der Schweißdrahtelektrode und dem Werkstück bestehende Schweißspannung auf.
Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens kann die Messgröße durch einen gemessenen Schweißstrom gebildet werden.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens kann als Messgröße eine gemessene Schweißleistung herangezogen werden.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens kann als Messgröße ein gemessener Widerstand dienen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens wird ein von der Schweißdrahtelektrode über den Lichtbogen zu dem Werkstück fließender Schweißstrom und/oder eine Drahtvorschubgeschwindigkeit der Schweißdrahtelektrode als Stellgröße in Abhängigkeit von der Messgröße, insbesondere einer Schweißspannung, zur Stabilisierung des Lichtbogens durch einen Regler einer Regelungsschaltung automatisch geregelt.
Die durch die Regelungsschaltung vorgenommene Regelung kann dabei entweder digital oder analog ausgeführt werden.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens wird die Messgröße, insbesondere eine gemessene Schweißspannung, mittels eines Analog-Digital-Wandlers abgetastet, wobei die abgetasteten Messgrößenwerte in einem Datenspeicher zur weiteren Auswertung gespeichert werden.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens wird ein berechneter gleitender Mittelwert oder ein sonstiger tiefpassgefilterter Wert der in dem Datenspeicher gespeicherten Messgrößenwerte mit mindestens einem Schwellenwert zur Detektion eines abnormalen Messgrößenverlaufs der Messgröße verglichen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens wird ein detektierter abnormaler Messgrößenverlauf der Messgröße oder eine detektierte abnormale Messgrößenverlaufsschwankung als Triggerereignisse einer Triggerschaltung zugeführt, welche die Regelungsschaltung zur Regelung der Lichtbogenlänge des Lichtbogens für mindestens einen nachfolgenden Schweißpulszyklus automatisch deaktiviert.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens verharrt ein Stellgrößenwert der Stellgröße, welcher von dem Regler der Regelungsschaltung ausgegeben wird, für die Dauer der Deaktivierung der Regelungsschaltung auf dem bisherigen Stellgrößenwert.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens wird ein Stellgrößenwert der Stellgröße, welcher von dem Regler der Regelungsschaltung ausgegeben wird, bei Deaktivierung der Regelungsschaltung aufgrund einer detektierten Abnormalität in dem Messgrößenverlauf der Messgröße oder aufgrund einer detektierten abnormalen Messgrößenverlaufsschwankung entsprechend einer vorgegebenen Stellgrößenänderungsfunktion F(t) automatisch geändert.
Beispielsweise kann ein Schweißstrom als Stellgröße SG mit einer gewissen Funktion I = F(t) geändert werden. Dies bedeutet, dass beim Eintreten eines nicht zu verwendeten Messwertes beispielsweise der Schweißstrom I mit einer bestimmten Funktion F erhöht, aber auch reduziert werden kann.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens wird eine Anzahl der nachfolgenden Schweißpulszyklen, während der die Regelung der Lichtbogenlänge des Lichtbogens deaktiviert wird, abhängig von einer erkannten Abweichung des Messgrößenverlaufs von einem normalen Messgrößenverlauf eingestellt. Alternativ kann die Anzahl der nachfolgenden Schweißpulszyklen, während der die Regelung der Lichtbogenlänge des Lichtbogens deaktiviert wird, auch vordefiniert bzw. voreingestellt werden.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens wird nach Ablauf der nachfolgenden Schweißpulszyklen die Regelung der Lichtbogenlänge des Lichtbogens automatisch wieder reaktiviert.
Die Erfindung schafft ferner gemäß einem weiteren Aspekt ein Schweißgerät zum Schweißen eines Werkstückes mit den in Patentanspruch 11 angegebenen Merkmalen.
Die Erfindung schafft demnach ein Schweißgerät zum Schweißen eines Werkstückes, wobei das Schweißgerät aufweist:

einen Schweißbrenner mit einer abschmelzbaren Schweißdrahtelektrode, wobei zwischen der Schweißdrahtelektrode und dem Werkstück während eines Schweißvorganges ein Lichtbogen brennt, und eine Schweißstromquelle, an welche der Schweißbrenner angeschlossen ist und einen Schweißstrom bezieht, der von der Schweißdrahtelektrode über den brennenden Lichtbogen zu dem Werkstück fließt,
wobei die Schweißstromquelle eine Steuerung mit einer Regelungsschaltung aufweist, die eine Lichtbogenlänge des Lichtbogens während eines Schweißpulszyklus in Abhängigkeit von einer von einem Sensor des Schweißgerätes gemessenen Messgröße regelt,
wobei die Regelungsschaltung für mindestens einen nachfolgenden Schweißzyklus automatisch deaktiviert wird, sobald durch eine Detektorschaltung des Schweißgerätes ein abnormaler Messgrößenverlauf der durch den Sensor gemessenen Messgröße detektiert wird.

Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißgerätes weist die Regelungsschaltung einen Regler auf, der den über den Lichtbogen zu dem Werkstück fließenden Schweißstrom und/oder eine Drahtvorschubgeschwindigkeit der Schweißdrahtelektrode als Stellgröße in Abhängigkeit von der Messgröße zur Stabilisierung des Lichtbogens automatisch regelt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißgerätes wird die Messgröße, insbesondere eine durch einen Sensor des Schweißgerätes gemessene Schweißspannung, zwischen der Schweißdrahtelektrode und dem Werkstück durch einen Analog-Digital-Wandler der Detektorschaltung abgetastet, wobei die abgetasteten Messgrößenwerte in einem Datenspeicher der Detektorschaltung zur Auswertung durch eine Auswerteeinheit der Detektorschaltung gespeichert werden.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißgerätes weist die Auswerteeinheit der Detektorschaltung ein Filter, insbesondere ein Tiefpassfilter auf, das einen Filterwert, insbesondere einen gleitenden Mittelwert, der in dem Datenspeicher gespeicherten Messgrößenwerte berechnet, wobei der berechnete Filterwert mit mindestens einem Schwellenwert zur Detektion eines abnormalen Messgrößenverlaufs der Messgröße verglichen wird, und wobei die Auswerteeinheit ein Hochpassfilter aufweist, das die in dem Datenspeicher gespeicherten Messgrößenwerte zur Detektion von abnormalen Messgrößenverlaufsschwankungen hochpassfiltert.
Im Folgenden werden mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens und des erfindungsgemäßen Schweißgerätes unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Es zeigen:

1 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schweißgerätes;
2 ein Blockschaltbild einer möglichen Ausführungsform einer bei dem erfindungsgemäßen Schweißgerät eingesetzten Steuerung;
3 ein Blockschaltbild einer möglichen Implementierung einer Detektorschaltung innerhalb der in 2 dargestellten Steuerung;
4 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens;
5 Signaldiagramme zur Darstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens;
6 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise eines Lichtbogenschweißverfahrens;
7 eine Skizze zur Erläuterung einer bei einem Lichtbogenschweißverfahren erfolgenden Lichtbogenlängenregelung;
8 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise einer bei einem Lichtbogenschweißverfahren erfolgenden Lichtbogenlängenregelung.

Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist ein erfindungsgemäßes Schweißgerät 1 zum Schweißen eines Werkstückes W einen Schweißbrenner 2 auf. Dieser Schweißbrenner 2 führt eine abschmelzbare Schweißdrahtelektrode 3 einer Schweißstelle SS auf der Oberfläche des Werkstückes W zu. Zwischen der Schweißdrahtelektrode 3 und der Schweißstelle SS wird ein Lichtbogen LB gezündet. Während des Schweißvorganges brennt zwischen der Schweißdrahtelektrode 3 und dem Werkstück W der in 1 dargestellte Lichtbogen LB. Das Schweißgerät 1 besitzt eine Schweißstromquelle 4, an welche der Schweißbrenner 2 angeschlossen ist und einen Schweißstrom I bezieht, der von der Schweißdrahtelektrode 3 über den brennenden Lichtbogen LB zu dem Werkstück W abfließt.
Die Schweißstromquelle 4 weist eine Steuerung 5 auf, welche eine Regelungsschaltung 5A enthält, wie in 2 dargestellt. Die Steuerung 5 der Schweißstromquelle 4 umfasst eine Regelungsschaltung 5A und eine Detektorschaltung 5B. Ein Ausführungsbeispiel der Detektorschaltung 5B ist in 3 dargestellt. Die Regelungsschaltung 5A regelt die Lichtbogenlänge LBL des Lichtbogens LB während eines Schweißpulszyklus SZ in Abhängigkeit von einer von einem Sensor 6 des Schweißgerätes 1 gemessenen Messgröße MG. Die Regelungsschaltung 5A der Steuerung 5 wird dabei für mindestens einen nachfolgenden Schweißzyklus SZ automatisch deaktiviert, sobald durch die Detektorschaltung 5B der Steuerung 5 der Schweißstromquelle 4 ein abnormaler Messgrößenverlauf der durch den Sensor 6 gemessenen Messgröße MG detektiert wird.
Die Regelungsschaltung 5A enthält einen Regler, der den über den Lichtbogen LB zu dem Werkstück W fließenden Schweißstrom I als Stellgröße SG in Abhängigkeit von der Messgröße MG zur Stabilisierung des Lichtbogens LB automatisch regelt. Die Regelungsschaltung 5A kann einen weiteren Regler aufweisen, der eine Drahtvorschubgeschwindigkeit V_D der Schweißdrahtelektrode 3 als Stellgröße SG in Abhängigkeit von der Messgröße MG zur Stabilisierung des Lichtbogens LB automatisch regelt. Bei der Messgröße MG kann es sich bei einer möglichen Ausführungsform um die Schweißspannung U handeln, welche zwischen der Schweißdrahtelektrode 3 und der Schweißstelle SS besteht. Bei alternativen Ausführungsvarianten können auch andere Messgrößen MG zur Regelung herangezogen werden. Beispielsweise können als Messgrößen MG auch der Schweißstrom I, eine elektrische Leistung P oder ein gemessener Widerstand R herangezogen werden. Die Lichtbogenlänge LBL des Lichtbogens LB wird während eines Schweißpulszyklus SZ in Abhängigkeit der Messgröße MG durch die Regelungsschaltung 5A geregelt. Die Regelungsschaltung 5A wird für mindestens einen nachfolgenden Schweißpulszyklus SZ automatisch deaktiviert, sobald ein abnormaler Messgrößenverlauf der Messgröße MG durch die Detektorschaltung 5B detektiert wird. Ein Schweißzyklus SZ erstreckt sich zwischen zwei Stromimpulsen des Schweißstromverfahrens I(+), wie in 4, 5 dargestellt.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der in der Steuerung 5 der Schweißstromquelle 4 enthaltenen Detektorschaltung 5B. Die Detektorschaltung 5B weist bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Analog-Digital-Wandler ADU auf, welcher die durch den Sensor 6 gelieferte Messgröße MG, beispielsweise die Schweißspannung U, abtastet. Die abgetasteten Messgrößenwerte werden in einem Datenspeicher DS der Detektorschaltung 5B eingeschrieben. Eine Auswerteeinheit AE der Detektorschaltung 5B wertet die in dem Datenspeicher DS gespeicherten abgetasteten Messgrößenwerte aus.
Bei einer möglichen Implementierung weist die Auswerteeinheit AE der Detektorschaltung 5B ein Tiefpassfilter auf, das einen gleitenden Mittelwert der in dem Datenspeicher DS gespeicherten Messgrößenwerte berechnet. Der durch das Tiefpassfilter berechnete Mittelwert wird durch einen Komparator der Auswerteeinheit AE mit mindestens einem Schwellenwert TH zur Detektion eines abnormalen Messgrößenverlaufs der Messgröße MG verglichen. Überschreitet der berechnete Mittelwert einen ersten hohen Schwellenwert TH-HOCH, kann eine Abnormalität des Messgrößenverlaufs durch die Auswerteeinheit AE festgestellt werden und automatisch ein Steuersignal generiert werden, um die Regelungsschaltung 5A der Steuerung 5 zu deaktivieren. Unterschreitet der berechnete Mittelwert einen anderen niedrigen Schwellenwert TH-NIEDRIG, kann bei einer möglichen Implementierung ebenfalls eine Deaktivierung der Regelungsschaltung 5A durch die Detektorschaltung 5B getriggert bzw. ausgelöst werden.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform kann die Auswerteeinheit AE der Detektorschaltung 5B zusätzlich ein Hochpassfilter aufweisen, das die in dem Datenspeicher DS gespeicherten Messgrößenwerte zur Detektion von abnormalen Messgrößenverlaufsschwankungen hochpassfiltert. Somit führen auch im Zeitverlauf der Messgröße MG zu starke Messgrößenverlaufsschwankungen der Messgröße MG zu einer automatischen Abschaltung bzw. Deaktivierung der Regelungsschaltung 5A. Die Detektorschaltung 5B kann bei einer möglichen Ausführungsform auf einem Mikroprozessor implementiert werden. Die Detektorschaltung 5B erzeugt ein Steuersignal zur Aktivierung oder Deaktivierung der Regelungsschaltung 5A in Abhängigkeit von der Messgrößenauswertung. Die Abtastfrequenz des Analog-Digital-Wandlers ADU ist für verschiedene Anwendungsfälle einstellbar. Die Auswertung der Messgröße MG durch die Detektorschaltung 5B erfolgt während des Schweißprozesses in Echtzeit.
Die in 2 dargestellte Regelungsschaltung 5A kann durch eine analoge Regelungsschaltung 5A oder durch eine digitale Regelungsschaltung 5A implementiert werden. Ein von der Schweißdrahtelektrode 3 über den Lichtbogen LB zu dem Werkstück W fließender Schweißstrom I kann durch den Regler der Regelungsschaltung 5A als Stellgröße SG in Abhängigkeit von der Messgröße MG zur Stabilisierung des Lichtbogens LB automatisch digital oder analog geregelt werden. Ein detektierter abnormaler Messgrößenverlauf der Messgröße MG oder eine detektierte abnormale Messgrößenverlaufsschwankung werden als Triggerereignisse bei einer möglichen Ausführungsform einer Triggerschaltung zugeführt, welche die Regelungsschaltung 5A zur Stabilisierung der Lichtbogenlängenregelung für mindestens einen nachfolgenden Schweißpulszyklus SZ deaktiviert. Während einer Schweißstartphase kann die Erkennung des falschen bzw. auffälligen Messwertes eingeschliffen werden, sodass am Ende des Schweißstarts eine Deaktivierung erfolgen kann.
Bei einer möglichen Ausführungsform verharrt ein Stellgrößenwert der Stellgröße SG, welcher von dem Regler der Regelungsschaltung 5A ausgegeben wird, für die Dauer der Deaktivierung der Regelungsschaltung 5A auf dem bisherigen Stellgrößenwert. Die Regelungsschaltung 5A wird bei dieser Ausführungsvariante gewissermaßen für einen gewissen Zeitraum bzw. für eine gewisse Anzahl von Schweißzyklen SZ eingefroren.
Bei einer möglichen Ausführungsform kann ein Stellgrößenwert der Stellgröße SG bei einer erfolgten Deaktivierung der Regelungsschaltung 5A entsprechend einer vorgegebenen Stellgrößenänderungsfunktion F(t)automatisch geändert werden. Beispielsweise wird der Schweißstrom I als Stellgröße SG mit einer gewissen Funktion I = F(t) geändert. Das heißt, dass bei Eintreten eines auffälligen Messgrößenverlaufs beispielsweise der Schweißstrom I als Stellgröße SG mit einer vorgegebenen gespeicherten Stellgrößenänderungsfunktion F(t)automatisch geändert wird, d.h. der Schweißstrom I kann entsprechend der Funktion F erhöht oder auch reduziert werden.
Die Anzahl der nachfolgenden Schweißpulszyklen SZ wird während der Regelung der Lichtbogenlänge LBL des Lichtbogens LB deaktiviert, wobei die Anzahl Nsz abhängig von einer erkannten Abweichung des zeitlichen Messgrößenverlaufes von einem normalen Messgrößenverlauf eingestellt werden kann. Alternativ kann die Anzahl N_SZ der nachfolgenden Schweißpulszyklen SZ, während der die Regelungsschaltung 5A deaktiviert wird, auch voreingestellt bzw. vordefiniert sein. Nach Ablauf der nachfolgenden Schweißpulszyklen SZ wird die Regelungsschaltung 5A der Steuerung 5 durch die Detektorschaltung 5B automatisch reaktiviert. Beispielsweise kann eine zwischen der Detektorschaltung 5B und der Regelungsschaltung 5A vorgesehene Triggerschaltung einen Zähler aufweisen, welcher die Anzahl der Schweißpulszyklen SZ nach dem Aktivierungsereignis zählt und automatisch eine Reaktivierung der Regelungsschaltung 5A auslöst bzw. triggert, sobald die Anzahl Nsz der nachfolgenden Schweißpulszyklen SZ erreicht worden ist.
4 zeigt Signalverläufe zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens. Der Schweißstromverlauf I(t) weist alternierend Stromimpulse und Grundstromimpulse auf. 4 zeigt zwei unterschiedliche Impulszyklen SZ1, SZ2 mit einer instabilen und einer stabilen Messphase. Bei dem in 4 dargestellten Beispiel wird als Messgröße MG die Schweißspannung U verwendet. Während eines Schweißzyklus SZ1 überschreitet diese Messgröße MG einen Schwellenwert TH und besitzt somit einen abnormalen Messgrößenverlauf. Darüber hinaus schwankt die gemessene Schweißspannung U(t) während des Schweißzyklus bzw. Impulszyklus SZ1. Im Schweißzyklus SZ2 verläuft die gemessene Schweißspannung U(t) stabil. Aufgrund dieser Abnormalität kann die Schweißspannung U zeitweise nicht für eine korrekte Lichtbogenlängenregelung herangezogen werden.
5 zeigt Signaldiagramme zur Erläuterung der Vorgehensweise bei der erfindungsgemäßen Lichtbogenlängenregelung. Zur Vermeidung einer instabilen Lichtbogenlängenregelung wird in Abhängigkeit des Signalverlaufs und der Messgröße MG, insbesondere der Schweißspannung U, die Regelung der Stellgröße SG, beispielsweise des Schweißstromes I, zeitweise deaktiviert bzw. ausgesetzt. Bei dem in 5 dargestellten Beispiel weist das Messsignal, nämlich das Spannungsmesssignal U(+) während der Schweißzyklen SZ2, SZ3, einen stark verrauschten und stark schwankenden Verlauf auf, sodass die Stromregelung des Schweißstromes I für mindestens einen nachfolgenden Schweißzyklus SZ3, SZ4 zeitweise deaktiviert wird. Überschreitet in einer Grundstromphase des Schweißstromes I(t) beispielsweise ein Spannungsmittelwert der Schweißspannung U einen gewissen Spannungspegel U_TH, wird die Regelungsschaltung 5A beim nächsten Schweißpulszyklus SZ automatisch deaktiviert. In den Schweißzyklen SZ2, SZ3 überschreitet die Schweißspannung U(t) einen Schwellenwert U_TH. Der verwendete Schwellenwert U_TH kann fix vorgegeben sein oder bei einer alternativen Ausführungsform auch dynamisch generiert werden. Beispielsweise kann ein gleitender Mittelwert berechnet oder ein sonstiger tiefpassgefilterter Wert ermittelt werden. Eine dynamische Generierung des Schwellenwertes U_TH kann auf Basis gemittelter Messwerte erfolgen oder auf Grundlage anderer Informationen, beispielsweise einer aktuellen Stickout-Länge, welche in einen Spannungswert transformiert werden, kann. Die von dem Regler der Regelungsschaltung 5A abgegebene Stellgröße SG wird für mindestens einen Schweißzyklus SZ automatisch eingefroren, sobald eine Abnormalität der Messspannung U(t) erkannt worden ist, wie in 5 dargestellt.
Bei der in dem erfindungsgemäßen Schweißgerät 1 verwendeten Steuerung 5 wird der Reglerausgang der Regelungsschaltung 5A bei Detektion eines abnormalen Messgrößenverlaufs vorzugsweise eingefroren, sodass die von dem Regler abgegebene Stellgröße SG für eine bestimmte Anzahl von Schweißzyklen SZ bei dem gleichen Wert verharrt.
Bei dem erfindungsgemäßen Gerät und Verfahren werden somit Unregelmäßigkeiten des Messgrößenverlaufs MG(t) von der Steuerung 5 der Schweißstromquelle 4 erkannt, wobei zwischen stabilen und instabilen Messphasen unterschieden wird. Sind die Signalstörungen in dem Messgrößenverlauf zu stark, kann die Regelungsschaltung 5A zur Erzeugung der Stellgröße SG für einige Schweißzyklen SZ automatisch deaktiviert werden. Bei einer möglichen Ausführungsvariante kann auch hinterlegt werden, wann die Messung der Messgröße MG, beispielsweise der Schweißspannung U, vorgenommen wird, beispielsweise an einem Pulsende eines Stromimpulses des Schweißstroms I(t). Weiterhin kann eine Abweichung von einem Normalwert herangezogen werden, um Kurzschlüsse zu detektieren.
6 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips einer Lichtbogenlängenregelung, die auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren benutzt wird. Eine lineare Lichtbogenkennlinie gibt die Abhängigkeit der Messspannung U von einem Schweißstrom I an. In Abhängigkeit von der Messspannung U wird der Schweißstrom I an einem Arbeitspunkt A eingestellt. An dem Arbeitspunkt A besteht ein gewisser Abstand zwischen dem Ende der Schweißdrahtelektrode 3 und der Schweißstelle SS, beispielsweise eine Lichtbogenlänge LBL von 3 mm. Beim Übergang zum Punkt E erhöht sich die freiliegende Länge der Schweißdrahtelektrode 3, wie in 7 rechts dargestellt. Hierdurch sinkt der Schweißstrom I etwas und die Schweißspannung U steigt, wie in 8 dargestellt. Aufgrund der steigenden Messspannung U wird zum Ausgleich der Schweißstrom I reduziert. Die Schweißspannung U bildet bei dem dargestellten Beispiel die Messgröße MG und der Schweißstrom I die Stellgröße SG der Regelungsschaltung 5A.
Weitere Ausführungsformen sind möglich. Beispielsweise kann die Regelungsschaltung 5A mehrere Regler für unterschiedliche Messgrößen MG und zugehörige Stellgrößen SG aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Schweißgerät
2: Schweißbrenner
3: Schweißdrahtelektrode
4: Schweißstromquelle
5: Steuerung
5A: Regelungsschaltung
5B: Detektorschaltung
6: Sensor

Claims

Lichtbogenschweißverfahren zum Schweißen eines Werkstückes (W) mittels eines zwischen einer Schweißdrahtelektrode (3) und dem Werkstück (W) bestehenden Lichtbogens (LB), dessen Lichtbogenlänge (LBL) während eines Schweißpulszyklus (SZ) in Abhängigkeit einer Messgröße (MG) geregelt wird, wobei die Regelung der Lichtbogenlänge (LBL) des Lichtbogens (LB) für mindestens einen nachfolgenden Schweißpulszyklus (SZ) automatisch deaktiviert wird, sobald ein abnormaler Messgrößenverlauf der Messgröße (MG) detektiert wird.
Lichtbogenschweißverfahren nach Anspruch 1, wobei die Messgröße (MG) eine zwischen der Schweißdrahtelektrode (3) und dem Werkstück (W) bestehende Schweißspannung (U), einen Schweißstrom (I), eine Leistung oder einen Widerstand aufweist.
Lichtbogenschweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein von der Schweißdrahtelektrode (3) über den Lichtbogen (LB) zu dem Werkstück (W) fließender Schweißstrom (I) und/oder eine Drahtvorschubgeschwindigkeit (V_D) der Schweißdrahtelektrode (3) als Stellgröße (SG) in Abhängigkeit von der Schweißspannung (U) als Messgröße (MG) zur Stabilisierung des Lichtbogens (LB) durch einen Regler einer Regelungsschaltung (5A) automatisch digital oder analog geregelt wird.
Lichtbogenschweißverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die Messgröße (MG) mittels eines Analog-Digital-Wandlers (ADU) abgetastet wird und die abgetasteten Messgrößenwerte in einem Datenspeicher (DS) gespeichert werden.
Lichtbogenschweißverfahren nach Anspruch 4, wobei ein berechneter gleitender Mittelwert oder sonstiger tiefpassgefilterter Wert der in dem Datenspeicher (DS) gespeicherten Messgrößenwerte mit mindestens einem Schwellenwert zur Detektion eines abnormalen Messgrößenverlaufs der Messgröße (MG) verglichen wird.
Lichtbogenschweißverfahren nach Anspruch 5, wobei ein detektierter abnormaler Messgrößenverlauf der Messgröße (MG) oder eine detektierte abnormale Messgrößenverlaufsschwankung als Triggerereignisse einer Triggerschaltung zugeführt werden, welche die Regelungsschaltung (5A) zur Regelung der Lichtbogenlänge (LBL) für mindestens einen nachfolgenden Schweißpulszyklus (SZ) deaktiviert.
Lichtbogenschweißverfahren nach Anspruch 6, wobei ein Stellgrößenwert der Stellgröße (SG), welcher von dem Regler der Regelungsschaltung (5A) ausgegeben wird, für die Dauer der Deaktivierung der Regelungsschaltung (5A) auf dem bisherigen Stellgrößenwert verharrt.
Lichtbogenschweißverfahren nach Anspruch 6, wobei ein Stellgrößenwert der Stellgröße (SG), welcher von dem Regler der Regelungsschaltung (5A) ausgegeben wird, bei Deaktivierung der Regelungsschaltung (5A) aufgrund einer detektierten Abnormalität in dem Messgrößenverlauf der Messgröße (MG) oder aufgrund einer detektierten abnormalen Messgrößenverlaufsschwankung entsprechend einer vorgegebenen Stellgrößenänderungsfunktion F(t) automatisch geändert wird.
Lichtbogenschweißverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Anzahl der nachfolgenden Schweißpulszyklen (SZ), während der die Regelung der Lichtbogenlänge (LBL) des Lichtbogens (LB) deaktiviert wird, abhängig von einer erkannten Abweichung des Messgrößenverlaufs von einem normalen Messgrößenverlauf eingestellt wird.
Lichtbogenschweißverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei nach Ablauf der nachfolgenden Schweißpulszyklen (SZ) die Regelung der Lichtbogenlänge (LBL) des Lichtbogens (LB) automatisch reaktiviert wird.
Schweißgerät zum Schweißen eines Werkstückes (W), wobei das Schweißgerät (1) aufweist: - einen Schweißbrenner (2) mit einer abschmelzbaren Schweißdrahtelektrode (3), wobei zwischen der Schweißdrahtelektrode (3) und dem Werkstück (W) während eines Schweißvorganges ein Lichtbogen (LB) brennt und - eine Schweißstromquelle (4), an welche der Schweißbrenner (2) angeschlossen ist, und einen Schweißstrom (I) bezieht, der von der Schweißdrahtelektrode (3) über den brennenden Lichtbogen (LB) zu dem Werkstück (W) fließt, wobei die Schweißstromquelle (4) eine Steuerung (5) mit einer Regelungsschaltung (5A) aufweist, die eine Lichtbogenlänge (LBL) des Lichtbogens (LB) während eines Schweißpulszyklus (SZ) in Abhängigkeit von einer von einem Sensor (6) des Schweißgerätes (1) gemessenen Messgröße (MG) regelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsschaltung (5A) für mindestens einen nachfolgenden Schweißzyklus (SZ) automatisch deaktiviert wird, sobald durch eine Detektorschaltung (5B) des Schweißgerätes (1) ein abnormaler Messgrößenverlauf der durch den Sensor (6) gemessenen Messgröße (MG) detektiert wird.
Schweißgerät nach Anspruch 11, wobei die Regelungsschaltung (5A) mindestens einen Regler aufweist, der den über den Lichtbogen (LB) zu dem Werkstück (W) fließenden Schweißstrom (I) und/oder eine Drahtvorschubgeschwindigkeit (V_D) der Schweißdrahtelektrode (3) als Stellgröße (SG) in Abhängigkeit von der Messgröße (MG) zur Stabilisierung des Lichtbogens (LB) automatisch regelt.
Schweißgerät nach Anspruch 12, wobei die Messgröße (MG), insbesondere eine durch einen Sensor (6) des Schweißgerätes (1) gemessene Schweißspannung (U), zwischen der Schweißdrahtelektrode (3) und dem Werkstück (W) durch einen Analog-Digital-Wandler (ADU) der Detektorschaltung (5B) abgetastet wird, wobei die abgetasteten Messgrößenwerte in einem Datenspeicher (DS) der Detektorschaltung (5B) zur Auswertung durch eine Auswerteeinheit (AE) der Detektorschaltung (5B) gespeichert werden.
Schweißgerät nach Anspruch 13, wobei die Auswerteeinheit (AE) der Detektorschaltung (5B) ein Filter, insbesondere ein Tiefpassfilter, aufweist, das einen Filterwert, insbesondere einen gleitenden Mittelwert, der in dem Datenspeicher (DS) gespeicherten Messgrößenwerte berechnet, wobei der berechnete Filterwert mit mindestens einem Schwellenwert zur Detektion eines abnormalen Messgrößenverlaufs der Messgröße (MG) verglichen wird, und wobei die Auswerteeinheit (AE) ein Hochpassfilter aufweist, das die in dem Datenspeicher (DS) gespeicherten Messgrößenwerte zur Detektion von abnormalen Messgrößenverlaufsschwankungen hochpassfiltert.