DE19537402A1

DE19537402A1 - Verfahren und Vorrichtung zur qualitativen und quantitativen Beschreibung von komplexen elektrischen Generatoren, insbesondere Schweißstromquellen

Info

Publication number: DE19537402A1
Application number: DE1995137402
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Puschner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-10-09
Filing date: 1995-10-09
Publication date: 1997-04-10

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem elektrische Generatoren mit komplexem Innenwiderstand sowohl untereinander verglichen als auch auf Eignung für Anwendungen mit nicht reinem statischem Lastverhalten überprüft und somit qualifiziert werden können. Das Verfahren eignet sich daher besonders für die Prüfung und Qualifikation von Schweißgeneratoren und dabei wieder besonders für Lichtbogen-Schweißgeneratoren, die im Zusammenwirken mit dem komplex ablaufenden Schweißprozeß nicht mit den bisher bekannten Mitteln, nämlich Erfassen von Leerlaufspannung, Kurzschlußstrom und statischer Belastungskennlinie, beschrieben werden können.

Insbesondere die neue Generation vollelektronischer Stromquellen mit elektronischer Statik- und Dynamiksteuerung z. B. gemäß DE 32 00 086 C3, bedürfen für die Überprüfung und Qualifizierung eines Verfahrens, das die charakteristischen Anforderungen im Betrieb hinreichend gut simuliert und das darüberhinaus eine Darstellung der mit dem Prüfverfahren gewonnenen Kenngrößen erlaubt, die eine Entscheidung über die Eignung nach einfachen Kriterien ermöglichen. Darüberhinaus läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren reproduzierend anwenden und eignet sich sowohl für die Typ-Prüfung als auch für die zyklisch zu wiederholende Prüfung für Generatoren, die bereits im praktischen Einsatz sind und bei denen eine Zertifizierung im Sinne der Qualitätssicherungsnormen (ISO 9000 ff) erforderlich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren schafft darüber hinaus die Möglichkeit, optimierte Einstellungen von Schweißgeneratoren physikalisch transparent und somit die praktische und langjährige Erfahrung eines guten Schweißers für die zukünftige Stromquellenentwicklung nutzbar zu machen. Hierzu wird der Prüfling mit einer einstellbaren Belastung betrieben, die sich im Frequenzbereich von ca. 0,1 Hz bis ca. 5 kHz, im Idealfall von 0 Hz bis ca. 100 kHz verändern läßt. Die Belastungen selbst werden nach einem erfindungsgemäßen Muster vorgegeben. Parallel zur Belastung werden Spannungs- und/oder Stromverlauf betrachtet, die in einer vorteilhaften Ausführungsform im sog. U-I-Diagramm parametriert auf die Zeit dargestellt werden. Derartige Darstellungen von Arbeitspunktbewegungen bei realen Prozessen sind an sich bekannt. Es ist jedoch auch Wesen der Erfindung, Kriterien zu schaffen, die einen eindeutigen Rückschluß auf die Qualifikation des Prüflings gestatten.

Das erfindungsgemäße Verfahren schafft diese Voraussetzungen dadurch, daß die unterschiedlichen Beanspruchungen derartiger Generatoren durch typische Schweißprozesse in unterschiedlichen Zeitbereichen mit der einstellbaren Belastung simuliert werden. Hierzu werden grundsätzlich unterschiedliche Prozeßanforderungen definiert, die mit der einstellbaren Belastung ersatzweise simuliert werden können und deren dabei entstehende Betriebsparameter signifikant dargestellt werden und den unterschiedlichen Prozeßanfor derungen zugeordnete Qualitätskriterien liefern.

Die Erfindung wird anhand von Skizzen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem zu prüfenden Generator 1, dem sog. Prüfling, der mit der verstellbaren Last 2 verbunden ist, in der Regel eine elektronische Last, die mittels Transistoren als analoge Verbraucher direkt unterschiedliche Belastungszustände herbeiführen kann oder die durch die steuerbare Auswahl von einer Schar von ohmschen Widerständen mit Hilfe von Transistor schaltelementen eine vorgegebene Zahl von Belastungszuständen realisieren kann, die für die Anwendung genügend fein gestuft ausgeführt werden können, Wandlerelementen 3 und 4 für Spannung und Strom, die den Prüfvorgang steuernde Steuereinheit 5, welche das jeweilige Prüfmuster erzeugt, das über Signalleitung 6 die verstellbare Last 2 steuert, über Signalleitungen 7 und 8 die Antwortsignale Strom und Spannung des Prüflings registriert bzw. speichert und verarbeitet und über Signalleitung 9 eine Ausgabeeinheit 10 steuert, auf der das Prüfmuster, die Antwortsignale, das Qualifikationsmuster und die daraus abgeleitete Abweichung des Prüflings vom Qualifikationsmuster dargestellt und/oder ausgegeben werden können,

Fig. 2 den sich ergebenden Kenngrößenverlauf im Diagramm U über I bei Prüfung der ersten Prozeßanforderung,

Fig. 3 den sich ergebenden Kenngrößenverlauf im Diagramm U über I bei Prüfung der zweiten Prozeßanforderung,

Fig. 4 den sich ergebenden Kenngrößenverlauf im Zeitdiagramm i = f(t) bei Prüfung der zweiten Prozeßanforderung,

Fig. 5 den sich ergebenden Kenngrößenverlauf im Diagramm U über I bei Prüfung der dritten Prozeßanforderung.

Erfindungsgemäß werden dabei eine erste Prozeßanforderung "Plasmastabilität", eine zweite Prozeßanforderung "dynamische Beanspruchung durch Materialtransport und Tropfenkurz schluß" und eine dritte Prozeßanforderung "statischer Ausgleich bei Prozessen mit abschmelzender Elektrode" definiert.

Je nach Anwendungsgebiet des Generators müssen nicht alle Prozeßanforderungen auftreten, die Anforderung Plasmastabilität ist jedoch allen Anwendungen gemeinsam. Die der Erfin dung zugrundeliegende neue technische Lehre besteht darin,
daß für die Schweißtechnik geeignete Generatoren für die erste Anforderung, nämlich die Plasmastabilität, in kleinen Zeitbereichen Kennlinien mit Konstantstrom-Charakteristik nachweisbar sein müssen, die mit einem ersten Belastungsmuster geprüft werden,
daß für die zweite Anforderung, nämlich die Behandlung von Tropfenübergängen und Tropfenkurzschlüssen in mittleren Zeitbereichen, stetige Verschiebungen der Kennlinie mit Konstantstromcharakteristik nachweisbar sein müssen, die mit einem zweiten Belastungsmuster geprüft werden,
daß für die dritte Anforderung, nämlich den statischen Ausgleich bei Prozessen mit konstant zugeführtem Draht (MIG, MAG-Prozesse) in langen Zeitbereichen, eine Kennlinie mit Konstantspannungs-Charakteristik nachweisbar sein muß, die mit einem dritten Belastungsmuster geprüft wird.

Erfindungsgemäß wird nun der Prüfling mit den an sich bekannten Methoden des Frequenzgangs und der Sprungantwort untersucht, wobei jedoch vorteilhaft nicht der Generator mit derartigen Signalverläufen gesteuert wird, sondern die einstellbare Belastung. Zur Ermittlung der aussagefähigen Kenngrößen zur Plasmastabilität wird die einstellbare Last beispielsweise sinusförmig entsprechend dem ersten Belastungsmuster im Frequenzbereich 1kHz und darüber verändert. Die Amplitude der sich dabei ergebenden Stromstärke- Änderungen kann im Bereich von ca. 20% bis 50% des Generator-Nennstroms um einen mittleren Arbeitspunkt bei dem gewählten und zu prüfenden Arbeitsbereich liegen.

Geräte mit guten Plasma-Stabilitätseigenschaften bilden bei dieser Beanspruchung im U-I- Diagramm eine Ellipse ab, deren größere Achse senkrecht oder nahezu senkrecht steht und deren kleinere Achse sich mit steigender Frequenz verkleinert bis schließlich nur noch eine senkrechte Strecke erkennbar ist (Fig. 1). Geräte mit umgekehrtem Verhalten bei steigender Frequenz haben schlechte Plasma-Stabilitätseigenschaften. Für Anregungen mit verschiedenen Frequenzen, z. B. 1 kHz, 2 kHz, 4 kHz, 8 kHz, 16 kHz läßt sich so eine Schar von Kurvenverläufen ermitteln, die entsprechend der vorgenannten erfindungsgemäßen Kriterien die Plasmastabilität eines zu bertreibenden Schweißprozesses beschreiben.

Zur Ermittlung der aussagefähigen Kenngrößen zur Behandlung von Tropfenübergängen und Tropfenkurzschlüssen wird die einstellbare Last vorteilhafterweise mit periodischen Rechtecksignalen im Frequenzbereich 20 Hz bis 200 Hz verändert. Die Amplitude der sich dabei ergebenden Stromstärke-Änderungen kann ebenfalls im Bereich von ca. 20% bis 50% des Generator-Nennstroms um einen mittleren Arbeitspunkt bei dem gewählten Arbeitsbereich liegen. Geräte mit guter dynamischer Charakteristik zur Behandlung dieser Prozeßanforderungen zeigen im U-I-Diagramm einen charakteristischen Kenngrößenverlauf gemäß Fig. 3, einen geschlossenen Kurvenzug mit Arbeitspunktbewegung gegen den Uhrzeigersinn und parallelen senkrechten Linien, die jeweils sprunghaft durchlaufen werden. Die aufgespannte Fläche wird durch die beiden abwechselnd wirkenden Belastungen und die im Prüfling enthaltenen dynamischen Eigenschaften bestimmt. Bei Prüflingen mit einstellbarer Drossel führt bei konstanter Frequenz des Rechtecksignals größere Drosselwirkung zu kleinerer aufgespannter Fläche und umgekehrt kleinere Drosselwirkung zu größerer aufgespannter Fläche.

Geräte mit guten Eigenschaften zur Behandlung von Tropfenübergängen bilden bei dieser Beanspruchung im U-I-Diagramm einen geschlossenen Kurvenzug mit zwei senkrechten Linien und geneigten und ggf. gekrümmten Verbindungslinien der beiden senkrechten Linien ab (Fig. 3). Der zeitliche Verlauf von Spannung und/oder Strom, insbesondere die Zeitkonstante der Übergangsfunktionen (Fig. 4) gibt Aufschluß über die Reaktion auf Beanspruchung des Prüflings auf Tropfenübergänge und Tropfenkurzschlüsse. Die im U-I- Diagramm sich ergebende Arbeitspunktbewegung oder die Übergangsfunktionen werden mit entsprechenden Qualifikationsmustern verglichen.

Der Verlauf der statischen Kennlinie wird im Frequenzbereich unter 10 Hz bis zu Frequenzen von ca. 0,1 Hz ermittelt. Dem sich dabei im U-I-Diagramm ergebende linienförmigen Verlauf (Fig. 5) kann die sog. statische Neigung, ausgedrückt in VIA, entnommen und ebenfalls mit einem entsprechenden Qualifikationsmuster verglichen werden. Im Ergebnis wird nach der erfindungsgemäßen Vorgehensweise der Prüfling in allen für den Prozeßablauf relevanten Zeitbereichen vermessen, wobei die sich ergebenden Signalverläufe so aufgearbeitet werden können, daß eine Eignungsbeurteilung durch Vergleich mit entsprechenden Qualifikations mustern durchgeführt werden kann.

Weitere Ausbildungen der Erfindung können gemäß dem Stand der Technik erfolgen. So versteht es sich von selbst, daß die von den Meßwandlern 3 und 4 gelieferten Signale bei Prüflingen, die auf Schaltverstärkerbasis arbeiten, entsprechende Filter eingeschleift werden müssen, um die durch die geräteeigene Taktfrequenz einhergehende Beeinträchtigungen des Prüfungsergebnisses zu dämpfen. Bei der Untersuchung von Generatoren, die bereits aufgrund der gewählten Betriebsart ein periodisches Muster erzeugen, sog. Pulsstromquellen, kann für die Prüfung der zweiten Prozeßanforderung die Last im zu prüfenden Arbeitsbereich konstant gehalten werden, auch dies ist dann im Sinne der Erfindung ein Prüfmuster, mit dem die Auswertung dennoch erfindungsgemäß wie beschrieben durchgeführt wird. Selbstver ständlich kann auch ein real ablaufender Musterprozeß für ein bestimmtes Zeitintervall in seinem Impedanzverlauf aufgenommen werden und dieser so gespeicherte Impedanzverlauf als Prüfmuster zur Steuerung der Last 2 herangezogen werden.

Die Erfindung schafft folgende Vorteile:

1. Es können alle Arten von Schweißgeneratoren geprüft werden.
2. Optimierte und für gut befundene statische und dynamische Generatoreigenschaften können als Qualifikationsmuster gesichert werden.
3. Gesicherte Qualifikationsmuster können zu beliebigen Zeiten mit den sich dann ergebenden Generatoreigenschaften desselben Generators oder weiterer Generatoren verglichen werden, ohne daß die Beurteilung durch subjektives Empfinden, z. B. von Anwendern, beeinträchtigt wird
4. Die Typprüfung von Generatoren in Bezug auf die Schweißeignung wird vereinfacht. Insbesondere sind keine umfangreichen Schweißversuche bei Neuentwicklungen erforderlich.
5. Aus den erzeugten Qualifikationsmustern lassen sich sämtliche den Generator beschreibenden Kenndaten ableiten, nämlich sämtliche statischen und sämtliche dynamischen Daten.
6. Für Qualitätsschweißungen zugelassene Generatoren können auf einfache Weise und mit geringem Zeitaufwand auf ihre Qualifizierung überprüft werden. Auch in Teilbereichen nicht einwandfreie arbeitende Generatoren können sofort erkannt und aus der Produktion entfernt, ersetzt, oder einer Nachbesserung zugeführt werden.
7. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens gelingt der einfache Aufbau einer Datenbank, mit der für die unterschiedlichsten Schweißaufgaben, Prozeßtypen, Werkstoffe, Zusatzwerkstoffe, Schutzgase, Pulver etc. optimale Einstellungsdaten für die Eigenschaften der einzusetzenden Generatoren zugänglich werden.

Claims

1. Verfahren zur Prüfung und Qualifizierung von elektrischen Generatoren für Schweißprozesse, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfling mit einer steuerbaren Last nach mindestens einem vorgegebenen Muster im zu prüfenden Arbeitsbereich des Generators belastet wird, die sich dabei als Antwort auf das Prüfmuster ergebenden Verläufe von Spannung und Strom über der Zeit oder eine mathematische Kombination aus diesen registriert werden und mit jeweils mindestens einem zugeordneten Qualifikationsmuster verglichen werden, wobei die Abweichung vom Qualifikationsmuster als Maß für die Qualifizierung des Prüflings herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich ergebenden Verläufe von Spannung und Strom über der Zeit in einem Diagramm Spannung über Strom oder umgekehrt parametriert auf die Zeit dargestellt werden und die sich als Antwort auf das Prüfmuster ergebende Arbeitspunktbewegung mit einem Qualifikationsmuster verglichen wird, wobei die Abweichung vom Qualifikationsmuster als Maß für die Qualifizierung des Prüflings herangezogen wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfmuster ein periodisches Signal enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich ergebenden Verläufe von Spannung und Strom über der Zeit in einem Diagramm Spannung über Strom oder umgekehrt parametriert auf die Zeit dargestellt werden und die sich als Antwort auf das Prüfmuster ergebende Arbeitspunktbewegung mit geschlossenem Kurvenverlauf mit einem zugeordneten Qualifikationsmuster verglichen wird, wobei die Abweichung vom Qualifikationsmuster durch Vergleich der Fläche und der Lage der den geschlossenen Kurvenverlauf bildenden Linien als Maß für die Qualifizierung des Prüflings herangezogen wird.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung des Prüflings mit mehreren vorgegebenen Mustern mit Signalverläufen in unterschiedlichen Zeit- bzw. Frequenzbereichen vorgenommen wird und diesen jeweils unterschiedliche Qualifi kationsmuster zugeordnet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Prüfung von Schweißgeneratoren für Lichtbogenschweißprozesse mindestens ein Muster mit Frequenz anteilen ab 1kHz und höher zur Qualifizierung der Plasma-Stabilitätseigenschaften enthalten ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Prüfung von Schweißgeneratoren für Lichtbogenschweißprozesse mit abschmelzender Elektrode min destens ein weiteres Muster mit Frequenzanteilen von 20 Hz bis 200 Hz zur Qualifizierung der Eigenschaften für Tropfenübergange und Tropfenkurzschlüsse enthalten ist.

8. Verfahren nach Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Prüfung von Schweißgeneratoren für Lichtbogenschweißprozesse mit abschmelzender Elektrode mindestens ein weiteres Muster mit Frequenzanteilen im Bereich unter 10 Hz bis 0,1 Hz zur Qualifizierung der statischen Eigenschaften enthalten ist.

9. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Prüfmuster ein multifrequentes Signal zur Steuerung der verstellbaren Last herangezogen wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9, bestehend aus einer elektronisch ansteuerbaren Last mit einem Signaleingang zur Einkopplung von Prüfmustern und Leistungsanschlüssen zur Kopplung an die Ausgänge des zu prüfenden Generators dadurch gekennzeichnet, daß die Last mit Meßwandlern für Spannung und/oder Strom ausgerüstet ist und diese mit einer Auswerteeinrichtung zur Erzeugung von registrierten Signalverläufen verbunden sind, die mit vorgegebenen Qualifikationsmustern verglichen werden können.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung von Prüfmustern, die Auswertung der als Antwort sich ergebenden Signalverläufe und deren mathematische Verknüpfung untereinander und der Vergleich mit zugeordneten Qualifikationsmustern durch einen elektronischen Apparat oder einen elektronischen Rechner mit entsprechender Signal- und Kommunikationsperipherie nach Stand der Technik durchgeführt wird.