DE19702911C1 - Elektronische Schweißenergiequelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schweißenergiequelle für das Lichtbogenschweißen mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Schweißstromquellen für das MIG/MAG-Schweißen sind seit langem bekannt. Sie werden entweder konventionell als Spannungsquellen mit Innenwiderstand und nachgeschalteter Drossel oder mit von elektroni­ schen Steuerkreisen beeinflußbaren Stromquellen gebaut, wie dies in der DE 32 00 086 C2 beschrieben ist.

Zur Erziehung eines optimalen Schweißergebnisses muß immer die richtige Kombination von Innenwiderstand und Drosselwirkung ausgewählt werden. Bei konventionell ausgeführten Schweißstromquellen kann man in der Regel nur die Drosselwirkung durch Umstecken von Drosselanzap­ fungen grob wählen. Bei elektronisch geregelten Schweißstromquellen lassen sich Innenwiderstand und Drosselwirkung feinfühlig einstellen.

Ferner sind Voreinstellmechanismen für elektronische Schweißstromquel­ len bekannt, die dem Bediener diese Verstellungen abnehmen, in dem feste Zuordnungen von Schweißparametern zu Drossel- und Innenwider­ standsvoreinstellungen in einem Speicher abgelegt sind.

Durch die US-PS 5233158 ist eine Schweißvorrichtung mit einer automatisch gesteuerten Schweißenergiequelle bekannt, bei der sowohl die Schweißspannung als auch der Schweißstrom gemessen und der jeweils ermittelte Istwert mit dem in einer Datenverarbeitungseinheit gespeicherten Sollwert verglichen wird. Sofern die dabei ermittelten Differenzen von Schweißspannung bzw Schweißstrom außerhalb eines in der Datenverarbeitungseinheit gespeicherten Toleranzfeldes liegen, erfolgt eine den jeweiligen Abweichungen entsprechende Korrektur dieser Werte. Gleichzeitig mit der Ermittlung der Istwerte von Schweißspannung und Schweißstrom erfolgt hierbei die Ermittlung der Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode, die bei Überschreiten des Toleranzfeldes von Schweißspannung und Schweißstrom ebenfalls verändert wird Einrichtungen dieser Art zeigen, da die Umsetzung der Veränderung der Vorschubgeshwindigkeit der Elektrode im Vergleich zur Umsetzung der Veränderung von Schweißspannung und/oder Schweißstrom relativ lange dauert, ein insgesamt sehr träges Regelverhalten und sind zudem vergleichsweise aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer gattungsgemäßen Schweißenergiequelle, eine einfachere Bedienung bei technisch geringe­ rem Aufwand zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Schweißenergiequelle durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die Erfindung schafft eine elektronische Schweißenergiequelle, deren dynamisches Verhalten derart gestaltet ist, daß über den gesamten Schweißbereich unabhängig von den Drahtvorschubgeschwindigkeiten sowie der Drahtdurchmesser und auch unabhängig von den verschiede­ nen zum Einsatz kommenden Materialien ein die Parameter des dynami­ schen Verhaltens verändernder Eingriff in das dynamische Verhalten nicht mehr erforderlich ist, das dynamische Verhalten praktisch durch ein statisches Verhalten ersetzt wird.

Erreicht wird diese Eigenschaft durch die völlige Abkehr von der üblichen Denkweise in Kennlinie und Drossel oder deren Nachbildungen als Statikschaltkreis und Dynamikschaltkreis.

Eine Reihenschaltung von Widerstand und Drossel ergibt immer eine Zeitkonstante für die Stromveränderung im Schweißstromkreis in Form einer e-Funktion. Dadurch wird die Stromänderungsgeschwindigkeit ab­ hängig von der eingestellten Schweißspannung.

Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß der Schweißprozess unab­ hängig von der Schweißspannung nur dann optimal abläuft, wenn die Stromänderungsgeschwindigkeit einen optimalen Wert hat. Dieser Wert ist über den gesamten Schweißbereich konstant. In bekannten Schweißstrom­ quellen muß demnach die Drossel nur deshalb verstellt werden, um diese optimale Stromänderungsgeschwindigkeit zu erzielen.

Die erfindungsgemäße Schweißstromquelle arbeitet über den gesamten Schweißbereich mit dieser optimalen Stromänderungsgeschwindigkeit. Änderungen im Stromverlauf folgen nun einer Dreiecksfunktion.

Veränderte Schweißparameter verändern den zeitlichen Verlauf des Schweißstromes nicht. Mit einer einzigen Vorgabe läßt sich das gewünsch­ te Lichtbogenverhalten einstellen. Bei passendem Drahtvorschub bewirkt ein hoch eingestellter Innenwiderstand einen feintropfigen Übergang mit wenig Einbrand, da die möglichen Arbeitspunkte strommäßig nahe beiein­ ander liegen und deshalb schnell erreicht werden. Wird der Innenwider­ stand verkleinert, so liegen die Arbeitspunkte strommäßig weiter ausein­ ander und werden bei konstanter Stromänderungsgeschwindigkeit später erreicht. Die Tropfen bilden sich daher größer aus. Der Einbrand verbessert sich, da die Stromamplitude größer wird. Sehr kleine Innen­ widerstände legen die Arbeitspunkte so weit auseinander, daß der hohe Strompunkt mit dem gegebenen Schweißdraht nicht mehr erreicht werden kann Es bildet sich ein Sprühlichtbogen aus.

Da die erfindungsgemäße Schweißenergiequelle nur noch statische Vorgaben benötigt, lassen sich diese Vorgaben aus bekannten Parame­ tern, wie Drahtgeschwindigkeit, Drahtdurchmesser, Material, Gasart und Schweißposition bestimmen Damit wird das System dokumenta­ tionsfähig, da alle Istwertabweichungen von den vorberechneten Sollwer­ ten auf mögliche Fehler im Schweißprozess hinweisen.

Je nach Ausstattung ergeben sich für eine erfindungsgemäße elektroni­ sche Schweißenergiequelle mehrere Vorteile.

Die Schweißeigenschaften der Schweißstromquelle können mit einer einzigen Vorgabe festgelegt und auch während des Schweißens verändert werden. Diese Vorgabe läßt sich zur noch leichteren Bedienbarkeit aus den Vorgaben für Drahtart, Drahtdurchmesser und Drahtgeschwindigkeit ablei­ ten Der erforderliche Regelkreis für die elektronische Schweißstromquelle läßt sich sehr leicht als digitaler Regler ausführen Hieraus ergibt sich eine hohe Stabilität bei geringen Kosten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 6.

Nachstehend werden der prinzielle Aufbau und die prinzipielle Wirkungs­ weise einer erfindungsgemäßen elektronischen Schweißenergiequelle erläutert.

Hierbei wird auf eine Beschreibung der bekannten Schaltungsan­ ordnungen verzichtet, die Teil der Schweißenergiequelle sind. Somit werden die Bedieneinheit mit der Einrichtung zum Vorgeben der verschiedenen Parameter, die Einrichtung zum Fördern einer vorbestimm­ baren Drahtmenge sowie die Stromquelle mit dem Leistungsteil mit Konstantstromcharakteristik nicht beschrieben. Dabei wird vorausgesetzt, daß der Sollstrom vorgebbar ist, die Verstärkung mit 100 A/V konstant ist und Änderungen von 1000 A/ms möglich sind.

Ferner wird auf die Beschreibung von Schweißverfahren verzichtet, die mit der erfindungsgemäßen Schweißenergiequelle zwar prinzipiell möglich sind, die aber nicht in direkter Verbindung zur mit der Erfindung aufge­ zeigten technischen Lehre stehen.

Es zeigen:

Fig. 1: ein Schaltbild eines Reglers für normale MIG/MAG-Schweißungen,

Fig. 2: eine Grafik der Strom- und Spannungsverläufe bei unterschied­ lichen Innenwiderständen;

Über einen Spannungsteiler und ein Filter zur Störspannungsreduzierung gelangt der Istwert der Schweißspannung zu einem Eingang eines Kompa­ rators. Am zweiten Eingang des Komparators liegt der momentan von einer Datenverarbeitungseinheit vorgegebene Sollwert für die Schweiß­ spannung an. Der Ausgang des Komparators ist mit einem Digitaleingang der Datenverarbeitungseinheit verbunden und zeigt dieser an, ob die momentane Schweißspannung kleiner oder größer ist, als der von ihr vorgegebene Wert. Dabei spielt der absolute Betrag, um den die momentane Schweißspannung größer oder kleiner als der von der Datenverarbeitungseinheit vorgegebene Wert ist, keine Rolle. Es kommt lediglich darauf an, ob die momentane Schweißspannung größer oder kleiner als der von der Datenverarbeitungseinheit vorgegebene Wert ist.

Zeigt der Komparator an, daß der momentane Istwert der Schweiß­ spannung zu klein ist, so erhöht die Datenverarbeitungseinheit den Strom­ sollwert des Leistungsteils um einen konstanten Betrag. Wenn der Komparator eine zu große Spannung feststellt, verringert die Datenverar­ beitungseinheit den Sollwert der Stromstärke des Leistungsteils um diesen konstanten Betrag. Die Änderung der Sollstromvorgabe bewirkt eine Veränderung des Schweißstromes um den gewünschten Betrag, da die eingesetzte Stromquelle eine bekannte und konstante Verstärkung hat. Die Regelgeschwindigkeit der Stromquelle ist so hoch und die Stromänderung so klein, daß davon ausgegangen werden kann, daß bis zum nächsten Abfragezeitpunkt des Komparators der durch die Veränderung gewünsch­ te Strom auch tatsächlich fließt. Die Datenverarbeitungseinheit benötigt daher keine schnelle Erfassung des Stromistwertes des Schweiß­ prozesses.

Auf der Basis des zu erwartenden Stromes kann die Datenverarbeitungs­ einheit nun die nächste zu erwartende Spannungsvorgabe für den Komparator errechnen und ausgeben. Dies geschieht auf der Basis der vorgegebenen Leerlautspannung abzüglich des Spannungsabfalles durch den bekannten Sollstrom über dem vorgegebenen Innenwiderstand.

Die Datenverarbeitungseinheit wird nun Nebenfunktionen, wie Sicherheits­ abfragen, Temperaturkontrollen u. ä. ausführen. In dieser Zeit schwingen die neuen Sollwerte für Leistungsteil und Komparator ein. Dann beginnt das Programm der Datenverarbeitungseinheit erneut mit dem Abfragen des Komparatorzustandes. Die erfindungsgemäß konstante Änderungs­ geschwindigkeit des Schweißstromes ergibt sich aus der Abfrage des Komparators in einem festen Zeitraster und der damit verbundenen Erhöhung oder Absenkung des Sollstroms um einen festen Betrag Bei Datenverarbeitungseinheiten mit konstanter Befehlsausführungszeit kann das Zeitraster durch die Programmlänge festgelegt werden Auch Echtzeitbetriebssysteme oder Interupts in sonstigen Rechnern stellen ein solches Zeitraster zur Verfügung. Der Komparator kann durch einen A/D- Wandler und softwaremäßigen Spannungsvergleich ersetzt werden.

Da die Datenverarbeitungseinheit den Stromsollwert des Leistungsteils vorgibt, können auch andere Schweißverfahren leicht ausgeführt werden. Am einfachsten lassen sich rein stromgesteuerte Schweißverfahren realisieren.

Bei WIG-Schweißungen kann der oben beschriebene Komparator zur Spannungsmessung benutzt werden, um zum Beispiel eine automatische Höhenabtastung für den Schweißbrenner zu realisieren Bei gepulsten MIG-Verfahren kann zur Lichtbogenlängenstabilisierung ein in Hard- oder Software vorhandener Integrator benutzt werden. Er ermittelt das Integral der Differenz der Lichtbogenspannung und einem vorgegebenen Span­ nungsmittelwert. Der Integrator startet bei Pulsstrombeginn bei Null und läuft, da die Spannung in der Pulsstromphase größer als der Mittelwert ist, zu positiven Werten. Nach Ablauf der Pulsstromzeit beginnt die Grund­ stromphase. Hier ist die Lichtbogenspannung kleiner als der vorgegebene Mittelwert, wodurch der Integrator nach Null zurückläuft. Erreicht der Integrator den Wert Null, löst die Datenverarbeitungseinheit den nächsten Pulsstrom aus Die Zeitdauer der Grundstromphase wird allein von den Spannungsverhältnissen am Lichtbogen bestimmt und stellt sich so ein, daß der vorgegebene Mittelwert erreicht und die Lichtbogenlänge durch die Pulsfrequenzänderung stabilisiert wird Zusätzlich kann der Mittelwert wie beim Normalschweißen über einen vorgebbaren Innenwiderstand stromabhängig verändert werden. Hierdurch kann ein stabiler Pulslicht­ bogen erreicht werden.

Claims (5)

1. Elektronische Schweißenergiequelle für das Lichtbogenschweißen, mit einer durch elektrische Führungsgrößen steuerbaren getakteten Inverterstromquelle als Leistungsteil, einer das Verhalten der Schweißenergiequelle bestimmenden Regeleinheit, die mit einer Da­ tenverarbeitungseinheit zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen dem Istwert und dem vorgegebenen Sollwert der Schweißspannung von einem Komparator ermittelt und der Datenverarbeitungseinheit zugeführt wird, die in festen Intervallen die Richtung dieser Differenz auswertet und die Vorgabe für den Sollwert des Stromes für das Leistungsteil in Abhängigkeit von der Richtung der Differenz um einen jeweils konstanten Betrag vergrößert oder verkleinert, und daß die Datenverarbeitungseinheit unter Zugrundelegung des hierdurch zu erwartenden Schweißstromes eine Neuberechnung des Sollwertes der Schweißspannung in Abhängigkeit von der vorgegebenen Leerlaufspannung und dem vorgegebenen Innenwiderstand durchführt und den von ihr neu berechneten Sollwert der Schweißspannung im nächsten Intervall zur Ermittlung der Richtung der Differenz zwischen diesem und dem neuen Istwert benutzt, wodurch eine Änderung des Schweißstromes mit einer vom Betrag der Abweichung der Schweißspannung unabhängigen konstanten Stromanstiegs- oder Stromabfallgeschwindigkeit erfolgt, die den Schweißprozess zu einem Arbeitspunkt führt, der mit dem berechneten Arbeitspunkt übereinstimmt.

2. Elektronische Schweißenergiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Datenverarbeitungseinheit zur Steuerung anderer Schweißver­ fahren oder zur Steuerung von zeitlich begrenzten Abschnitten eines Verfahrens, wie Zünden und Drahtrückbrand, mehrere einzeln aufrufbare Programme aufweist.

3. Elektronische Schweißenergiequelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß für Schweißverfahren, mit Pulsstromphasen und Grundstromphasen ein in der Hard- oder Software der Regeleinheit vorhandener Integrator ein Integral über die Differenz eines vorgebbaren Spannungsmittelwertes und des Istwertes der Schweißspannung bildet,
daß der Integrator mit Beginn der Grundstromphase nach Null zurückläuft und die Datenverarbeitungseinheit bei Erreichen des Wertes Null die nächste Pulsstrom­ phase startet.

4. Elektronische Schweißenergiequelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Innenwiderstand für den Spannungsmittelwert, der den rein stromgesteuerten Pulsschweißprozess prozess- und stromabhängig stabilisiert.

5. Elektronische Schweißenergiequelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungseinheit durch andere digital arbeitende Schal­ tungen ersetzt ist.