DE2645223C3 - Verfahren zum Regeln des Schweißlichtbogens - Google Patents
Verfahren zum Regeln des SchweißlichtbogensInfo
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Description
ίο Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des
Schweißlichtbogens durch laufenden Vergleich elektrischer Betriebswerte mit elektrischen Sollwerten.
Es ist bekannt, die elektrischen Betriebsgrößen des Schweißlichtbogens zum Regeln des Schweißprozesses
heranzuziehen. So wird in der DE-OS 16 15 100 ein
Verfahren beschrieben, bei dem elektrische Betriebsgrößen des Schweißlichtbogens zur Höhenführung
eines WIG-Schweißbrenners so kombiniert werden, daß
sich eine brauchbare, selbstausgleichende Regelung der Schweißbogenlänge ergibt Aus der US-PS 34 43 057 ist
es bekannt die momentane Spannung des Schweißlichtbogens mit einer vorgegebenen festen Bezugsspannung
zu vergleichen und die Regelung der Bogenlänge aufgrund des Ergebnisses dieses Vergleichs durchzuführen.
Diese beiden bekannten Verfahren eignen sich jedoch nur für das Lichtbogenschweißen mit nicht abschmelzender
Elektrode, da sie nicht zwischen tatsächlichen Änderungen des Abstandes Schweißbrenner/Werkstück
und Störungen unterscheiden können, die beispielsweise von der treibenden Energiequelle herrühren.
Schließlich werden bei dem aus der US-PS 32 04 081 bekannten Verfahren zur Führung des Schweißbrenners
elektrische Betriebsgrößen-Störungen des Schweißlichtbogens herangezogen, die durch eine Zusatzvorrichtung
hervorgerufen werden.
Alle meßtechnisch zugänglichen Betriebsgrößen eines Lichtbogenschweißprozesses, wie Lichtbogenspannung,
Schweißstrom, Lichtbogenlänge, Lichtbogenhelligkeit, Lichtbogentemperatur usw., sind jedoch mit
einem nicht zu vermeidenden, störenden Rauschanteil versehen. Diese Rauschanteile werden durch Materialübergänge
im Lichtbogen, Ungleichmäßigkeiten in der
Nahtfuge, Unregelmäßigkeiten in der Drahtzuführung und in der Drahtausbildung sowie Änderungen des
Abstandes Schweißbrenner/Werkstück bei abschmelzender Elektrode, aber auch durch andere Einflüsse
erzeugt Hinzu kommen noch Störungen, die von der
so Bauart der eingesetzten Schweißenergiequelle herrühren bzw. deren Ursache in der treibenden Netzspannung
liegt.
Aus diesen Gründen können die bekannten Verfahren einerseits nur bei sehr gleichmäßig ablaufenden
Schweißprozessen, beispielsweise beim WIG-Schweißen mit nicht abschmelzender Elektrode, eingesetzt
werden und benötigen andererseits sehr aufwendige Spezial-Energiequellen hoher Konstanz.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Regeln des Schweißlichtbogens der
angegebenen Gattung zu schaffen, das auch bei Schweißverfahren mit abschmelzender Elektrode eingesetzt
werden kann und keine aufwendige Spezial-Schweißstromquelle benötigt
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht daß gleichzeitig die elektrischen Betriebsgrößen des ablaufenden
Schweißprozesses und einer einen optimal ablaufenden Schweißprozeß in seinem elektrischen
Verhalten simulierenden Nachbildung erfaßt und miteinander verglichen werden und daß in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs Kenngrößen für die
Anpassung des tatsächlichen Schweißprozesses an den optimalen Verlauf gebildet werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf
folgender Funktionsweise: Die einen optimal ablaufenden Schweißprozeß in seinem elektrischen Verhalten
simulierende Nachbildung hegt parallel zum Schweißlichtbogen und wird von einer gemeinsamen Energiequelle und über die gleichen Qusllenklemmen betrieben.
Dabei ist die Nachbildung so ausgelegt, daß ihr elektrisches Verhalten dem des Schweißlichtbogens in
bezug auf zwei definierte Klemmen entspricht. Die elektrischen Betriebsgrößen dieser Nachbildung werden in einer geeigneten Einrichtung, beispielsweise
mittels einer elektrischen Brückenschaltung, kontinuierlich mit den elektrischen Betriebsgrößen des tatsächlich
ablaufenden Schweißprozesses und insbesondere des Schweißlichtbogens verglichen, so daß sich Störungen
der Energiequelle, also Restwelligkeit, Kennliniendrift
und Störungsdurchgriffe von der Netzversorgung, in gleicher Weise auf den tatsächlichen Schweißprozeß
und auf die Nachbildung auswirken und damit eliminiert werden können.
Prozeßtypische Schwankungen der Betriebsgrößen,
die entweder beim Schweißprozeß selbst erzeugt oder durch auf den Schweißprozeß einwirkende Zusatzeinrichtungen hervorgerufen werden, wirken nur auf den
tatsächlichen Schweißprozeß ein, so daß sich Unterschiede in den elektrischen Betriebsgrößen von
Schweißlichtbogen und Nachbildung ergeben, die ausgewertet und zur automatischen Angleichung der
Betriebsgrößen des Schweißprozesses an die durch die Nachbildung gelieferten optimalen Größen herangezogen werden können.
Die Nachbildung des Schweißprozesses bzw. des Lichtbogens wird zweckmäßigerweise so ausgeführt,
daß sie nur eine Leistung von wenigen Milliwatt aufnimmt, um die Schweißenergiequelle nicht zusätzlich
zu belasten. Dadurch lassen sich die netzseitigen Störgrößen mit geringem Aufwand und Leistungsverlust eliminieren sowie prozeßtypische Kenngrößen
erzeugen.
Bei der Synthese einer Nachbildung eines technischen Schweißlichtbogens durch ein elektrisches Netzwerk
muß beachtet werden, daß der Lichtbogen einen elektrischen Zweipol darstellt, der eine komplexe
Impedanz hat Außerdem müssen das statische und dynamische Verhalten des Schweißlichtbogens berücksichtigt werdea Mit Hilfe der aus der Regelungstechnik
bekannten Netzwerksynthese ist es möglich, eine ausreichend gute Nachbildung eines Schweißprozesses
und insbesondere eines Schweißlichtbogens zm realisieren.
Zweckmäßigerweise wird die Lichtbogen-Nachbildung durch ein passives Netzwerk gebildet, das eine
Parallelschaltung aus einem ohmschen Widerstand und einer Serienschaltung eines
> >hmschen Widerstandes mit einem Kondensator aufweist Sowohl diese Nachbildung als auch der Schweißlichtbogen sind Bestandteile
einer elektrischen Brückenschaltung, deren Zustand über einen Brückenmeßverstärker ermittelt wird. Die
Nachbildung und damit auch die Brückenschaltung wird während des Schweißvorgangs mit den gewünschten
Parametern über eine Stellvorrichtung, beispielsweise ein Potentiometer, abgeglichen.
Änderung des Zustandes des gerade ablaufenden Schweißprozesses dar. Bei den üblichen Schweißprozessen, bei denen die Schutzgasmenge pro Zeiteinheit, die
Drahtzuführungsgeschwindigkeit und die Schweißge-
schwindigkeit konstant gehalten werden, geben bei
einer Brückenverstimmung der Betrag und das Vorzeichen des vom Brückenmeßverstärker gelieferten
Ausgangssignals die Abweichung des Abstandes des Schweißbrenners zum Werkstück an, d. h, eine Ände
rung der Lichtbogenlänge und des sogenannten freien
Drahtendes. Betrag und Vorzeichen des Ausgangssignals können als Meßwert einem Regler zugeführt
werden, der über eine steuerbare Stellvorrichtung die Höhe des Schweißbrenners und damit die Lichtbogen
länge und das freie Drahtende automatisch auf den
optimalen Wert korrigiert Dabei wird vorausgesetzt, daß höherfrequente Rauschanteile über 5 bis 10 Hz,
beispielsweise durch Integration der Ausgangssignale des Brückenmeßverstärkers, unterdrückt werden.
μ Da die elektrischen Betriebsgrößen eines Schweißprozesses und auch das Ausgangssignal des obenerwähnten Brückenmeßverstärkers mit einem starken
Rauschanteil behaftet sind, können Schwierigkeiten bei der Gewinnung der elektrischen Kenngrößen auftreten.
Es wird deshalb angestrebt, aus den elektrischen Betriebsgrößen die Kenngrößen für die Regelung des
Schweißprozesses so herauszufiltern, daß ihr Rauschanteil möglichst gering ist und sie ohne weiteres
verarbeitet und zur Regelung herangezogen werden
können.
Dies kann auf folgende Weise erreicht werden: Der Schweißlichtbogen wird während einer definierten
Zeitspanne durch eine Anregung aus seinem stationären Zustand ausgelenkt; die dadurch gewonnene Kenngrö
ße wird während einer definierten Zeitspanne unmittel
bar vor der Anregung, beispielsweise der Hälfte der Anregungszeit, und während einer definierten Zeitspanne unmittelbar nach der Anregung, beispielsweise der
Hälfte der Anregungszeit, integriert; von der Summe
der dadurch erhaltenen beiden Signale wird das Integral
der elektrischen Kenngröße für die Anregungs-Zeitspanne subtrahiert
Dieses Verfahren läßt sich auf konstruktiv einfache Weise realisieren, so daß ohne großen Aufwand der
Rauschanteil der elektrischen Betriebsgrößen eliminiert werden kann und die Kenngrößen auf einfache Weise
verarbeitet werden können.
Erfolgt die Anregung des Schweißprozesses durch die
Auslenkung des Lichtbogens aus seiner stationären
so Lage mittels eines steuerbaren Elektromagneten, so
kann die dadurch hervorgerufene Änderung der elektrischen Betriebsgrößen des Schweißprozesses als
Kenngröße gewonnen und zur Seitenführung des Schweißbrenners längs der Schweißfuge herangezogen
werden, wie es in den älteren Patentanmeldungen P 25 33 448.9 und P 25 46 894.4 des Anmelders erläutert
wird. Gleichzeitig stellt eine Zwischengröße, nämlich das Ausgangssignal eines weiterhin vorgesehenen
Halteverstärkers, des auf die beschriebene Weise vom
eo Rauschanteil bereinigten Ausgangssignals des Brückenmeßverstärkers ein Maß für den Abstand Schweißbrenner/Werkstück dar, so daß bei Abweichung von einem
vorgegebenen Sollwert eine Regelung auf den optimalen Abstand durchgeführt werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 den Verlauf von Schweißspannung und
Schweißstrom für einen normal ablaufenden Schutzgas-Schweißprozeß bei Verwendung einer Schweißenergiequelle mit Brückengleichrichter,
Fig.2 das zeitliche elektrische Verhalten eines WIG-Schweißlichtbogens bei sprunghaften Änderungen der Schweißspannung,
F i g. 3 eine aus einem passiven Zweipol bestehende Nachbildung eines Lichtbogens mit einem Verhalten,
wie es in F i g. 2 dargestellt ist,
Fig.4 eine Brückenschaltung für den Vergleich von 1«
Lichtbogen und Nachbildung,
F i g. 5 den Verlauf des Ausgangssignals eines bei der Brückenschaltung vorgesehenen Brückenmeßverstärkers beim Überfahren einer Stufe im Grundwerkstoff
mit einem Schutzgas-Schweißbrenner,
Fig.6 eine Darstellung eines Zyklus der Meßwertaufbereitung zur Gewinnung der Kenngrößen bei
Anregung des Schweißprozesses und
F i g. 7 ein Schaltbild einer Einrichtung zur Gewinnung von Kenngrößen für die Seiten- und Höhenfüh-
rung eines Schweißbrenners.
Bei einem ungestört ablaufenden Lichtbogen-Schweißprozeß stellen sich stationäre Werte für die
Schweißspannung und den Schweißstrom ein. Dabei ist mit »stationär« gemeint, daß sich für die Dauer des
Schweißvorgangs konstante Mittelwerte der Prozeßgrößen ergeben. Die Untersuchung von stationären
Schweißparametern mit einem zeitlich hoch auflösenden Meßinstrument wie beispielsweise einem Kathodenstrahl-Oszillographen, zeigt jedoch, daß die Prozeß-
größen in einem breiten Frequenzband um den stationären Mittelwert schwanken.
F i g. 1 zeigt den qualitativen Verlauf von Schweißspannung u(t) und Schweißstrom i(t) mit der Zeit t bei
einem Lichtbogen-Schutzgas-Schweißverfahren und Verwendung einer Schweißenergiequelle mit Brückengleichrichter.
Es läßt sich erkennen, daß eine zeitliche Korrelation zwischen der Spannung u^und dem Strom /ff^besteht
Das dynamische Verhalten eines elektrischen Verbrauchers, also auch eines Schweißprozesses, kann
durch gezielte Anregung, beispielsweise mittels einer Sprungfunktion, ermittelt werden. F i g. 2 zeigt die
Stromantwort i(t) eines Schweißprozesses auf eine eingeprägte Spannung u(t). Es läßt sich erkennen, daß
einer vorgegebenen eingeprägten Spannung u(t) eine definierte Reaktion des Stroms i(t) entspricht, die sich
eindeutig von dem ursprünglichen, ungestörten, stationären Signal unterscheidet.
F i g. 3 zeigt einen elektrischen Zweipol, dessen elektrisches Verhalten ähnliche Eigenschaften hai wie
der Schweißprozeß, dessen Reaktion auf eine Änderung des Schweißstroms i(t) in F i g. 2 dargestellt ist. Dieser
elektrische Zweipol besteht aus einem ohmschen Widerstand 1, zu dem eine Serienschaltung aus einem
ohmschen Widerstand 2 und einem Kondensator 3 parallel geschaltet ist
Da dieser Zweipol ähnliche elektrische Eigenschaften wie ein Schweißprozeß hat, kann er als elektrische
Nachbildung eines solchen Schweißprozesses betrach- ω
tet werden.
Werden der Schweißprozeß, d.h. die elektrische
Einheit aus Stromzuführung, Brenner, Lichtbogen und Werkstück sowie die in F i g. 3 dargestellte Nachbildung
von derselben Schweißenergiequelle betrieben, so läßt
sich eine Abweichung des Schweißprozesses vom Sollwert mittels eines Vergleichs der elektrischen
Betriebsgrößen des normal ablaufenden Schweißprozesses mit den elektrischen Betriebsgrößen der
Nachbildung feststellen. Obwohl die verschiedensten Betriebsparameter Einfluß auf das elektrische Verhalten
des Schweißprozesses haben und dadurch mit dem hier beschriebenen Verfahren erfaßt werden können, sollen
im folgenden als bevorzugtes Ausführungsbeispiel Abweichungen erläutert werden, die sich bei einer
Änderung des Abstandes des Schweißbrenners vom Werkstück oder der Lichtbogenlänge ergeben.
In F i g. 4 ist eine Schaltung dargestellt die ι in ν im
Vergleich zwischen den elektrischen Betriebsg ößen des Schweißprozesses und den elektrischen Betriebsgrößen der Nachbildung abhängendes Ausgangssignal
erzeugt Die Klemmen einer Schweißenergiequelle 5 sind jeweils mit einer ersten Serienschaltung, die durch
den Schweißprozeß 6 und einen Meßwiderstand 7 gebildet wird, sowie einer zweiten Serienschaltung
verbunden, welche durch die Nachbildung 8 und einen Meßwiderstand 9 gebildet wird. Dabei soll der
schematisch angedeutete Schweißprozeß 6 das gesamte, die elektrischen Betriebsgrößen beeinflussende
Schweißsystem umfassen, also insbesondere die Zuführungen, den Brenner, den Lichtbogen und das
Werkstück. Als Nachbildung 8 kann der in F i g. 3 dargestellte Zweipol verwendet werden.
Die beiden Serienschaltungen bilden jeweils einen Zweig einer Brückenschaltung. An die Knotenpunkte
zwischen dem Meßwiderstand 7 und dem Schweißprozeß 6 sowie zwischen dem Meßwiderstand 9 und der
Nachbildung 8 ist ein Brückenmeßverstärker 10 angeschlossen, der an seiner Ausgangsklemme 11 ein
Signal liefert welches ein Maß für die Verstimmung der Brücke ist Das Ausgangssignal an der Klemme U ist
nur dann Null, wenn das elektrische Verhalten des Schweißprozesses 6 und der Nachbildung 8 identisch
sind, sie also sich entsprechende elektrische Betriebsgrößen haben. Die Nachbildung 8 und der Meßwiderstand 9 können so ausgelegt werden, daß durch diesen
Brückenzweig nur ein Strom von wenigen mA fließt. Mit dieser Schaltung läßt sich erreichen, daß netzseitige
Störungen nicht mehr im Ausgangssignal an der Klemme 11 enthalten sind.
F i g. 3 zeigt schematisch das Oberfahren einer Stufe
im Grundwerkstoff mit einem Lichtbogen-Schweißbrenner mit abschmelzender Elektrode. In einem
Diagramm Ua(O >st der zugeordnete zeitliche Verlauf
des an der Ausgangsklemme 11 des Brückenmeßverstärkers 10 auftretenden Ausgangssignals ohne Rauschanteil dargestellt Es läßt sich erkennen, daß bei
konstanten Betriebsbedingungen des Signals Ua(O ein
Maß für der. Abstand Brenner/Werkstück ist Dieses Signal wird in einer Einheit 47 ausgewertet und zur
Höhennachführung des Schweißbrenners herangezogen.
Die Auswerteinheit 47 weist eine Subtrahierschaltung 50 auf, in der vom Ausgangssignal an der Klemme 11 das
Signal einer Bezugsspannungsquelle 51 abgezogen wird, die ein den Sollwert des Abstandes Brenner/Werkstück
darstellendes Signal erzeugt Bei richtigem Abstand Brenner/Werkstück, also richtiger Lichtbogenlänge,
sind das Signal an der Klemme 11 und das Signal der Bezugssignalquelle 51 gleich, so daß die Subtrahierschaltung 50 das Ausgangssignal Null hat Unterscheiden sich die beiden Signale, so wird das von Null
abweichende Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 50 in einem Verstärker 52 verstärkt und über einen
Servomotor M zur Höhennachführung des Schweißbrenners verwendet Dabei wird der Abstand Schweiß-
brenner/Werkstück so lange verstellt, bis das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 50 wieder Null ist.
Die elektrischen Betriebsgrößen eines Lichtbogenschweißprozesses sind mit einem starken Rauschanteil
behaftet, so daß sich die aus solchen elektrischen Betriebsgrößen gewonnenen Kenngrößen für die
Regelung des Schweißprozesses unter Umständen nicht von den Rauschanteilen abheben. Dies gilt beispielsweise für die elektrische Kenngröße, wie sie beim
Überfahren einer Stufe im Grundwerkstoff entsteht. In Fig.5 ist diese Kenngröße Ua(O onne Rauschanteil
dargestellt. Auch die Kenngrößen, die beispielsweise durch Auslenkung des Lichtbogens aus einer normalen
Lage auf den elektrischen Betriebsgrößen des Schweißprozesses erzeugt werden, können unter Umständen im
Rauschen untergehen.
In F i g. 6 ist das Ausgangssignal Ua(O des Brückenmeßverstärkers 10 dargestellt, wie es sich für ein
Unterpulverschweißverfahren bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform aus dem elektrischen Verhal-
ten des Schweißprozesses und seiner Nachbildung ergibt Dabei erfolgt im Zeitintervall <b—1\ eine
Beeinflussung des Lichtbogens durch ein Magnetfeld. Ohne eine solche Beeinflussung hätte Ua(O lm Intervall
to-U den gestrichelt dargestellten Verlauf genommen.
Wie in den Patentanmeldungen P 25 33 448.9 und P 25 46 894.4 des Anmelders erläutert wird, stellt eine
solche, durch eine Auslenkung des Lichtbogens mittels eines Magnetfeldes hervorgerufene Änderung der
elektrischen Betriebsgrößen eine Information bzw. Kenngröße dar, die zur Regelung des Schweißprozesses, insbesondere zur seitlichen Führung des Lichtbogens längs einer Fuge, herangezogen werden kann.
Wie sich aus Fig.6 ergibt, ist der Unterschied
zwischen dem gestrichelt dargestellten, ungestörten Verlauf von Ua(O und der bei der Auslenkung
auftretenden Änderung so gering, daß sich diese Differenz nur mit großen Schwierigkeiten erfassen und
auswerten läßt
Um die Information, die in der vom Brückenmeßverstärker gelieferten Kenngröße enthalten ist, zu entschlüsseln, wird die durch den Rauschanteil des
Schweißprozesses bedingte Änderung der Ausgangsgröße Ua(O sowohl vor als auch nach dem Zeitintervall
betrachtet in dem die Information mittels der Auslenkung des Lichtbogens auf die Ausgangsgröße
einwirkt und diese verändert.
Dabei wird von folgender Überlegung ausgegangen: Bei unbeeinflußtem Schweißprozeß ändert sich die
Ausgangsgröße Ua(O im Zeitintervall fc—fi so, daß
folgende Bedingung erfüllt ist:
Γ2
J UA(t)dt + j UA(t)dt - J UA(t)dt = 0.
55
Wird der Schweißprozeß während des Zeitintervalls to— ti für die Zeitdauer Tangeregt, indem beispielsweise
der Lichtbogen mittels eines Magnetfeldes aus seiner «0
stationären Lage ausgelenkt wird, so ändert sich in diesem Zeitraum Ua(O so daß auch das Ergebnis der
oben angegebenen Gleichung ungleich Null wird. Der Prozeßzustand kann dabei durch Vorzeichen und
Betrag des Ergebnisses der Gleichung gekennzeichnet werden, das im angegebenen Beispiel ein MaB für die
Veränderung der Lichtbogenlänge bei einer magnetischen Ablenkung des Lichtbogens ist
In Fig.7 ist eine elektrische Schaltung dargestellt,
mit deren Hilfe aus verrauschten elektrischen Betriebsgrößen eines Schweißprozesses Kenngrößen für seine
Regelung gewonnen werden können. Diese Kenngrößen werden sowohl zur seitlichen Führung des
Lichtbogens als auch zur Höhensteuerung des Brenners herangezogen.
Eine an ein elektrisches Wechselstromnetz 12 angeschlossene Schweißenergiequelle 13 betreibt einen
Schweißprozeß 14 und eine Nachbildung 15. Dabei soll der schematisch angedeutete Schweißprozeß 14 d e
elektrische Zuleitung, den Schweißbrenner, den Lichtbogen und den Werkstoff umfassen. Die Nachbildung 15
entspricht der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform, enthält also einen ohmschen Widerstand 18, der parallel
zu einer Serienschaltung aus einem ohmschen Widerstand 19 und einem Kondensator 20 geschaltet ist In
Reihe zu dem ohmschen Widerstand 18 liegt ein Potentiometer 21, mit dem die Nachbildung 15 an den
angestrebten Schweißprozeß 14 angeglichen werden kann. Dies ist gleichbedeutend mit einer Abstimmung
der Brücke, die wie bei der Ausführungsform nach F i g. 4 durch eine Serienschaltung aus Schweißprozeß
14 und einem Meßwiderstand 16 einerseits sowie der Nachbildung 15 und einem Meßwiderstand 17 andererseits gebildet wird.
Ein zwischen den Knotenpunkten der beiden Serienschaltungen liegender Brückenmeßverstärker 23
speist zwei parallel zueinander liegende Integratoren 24 und 25, deren Betrieb jeweils von einer Ablaufsteuerung
26 gestartet wird.
Die Ablaufsteuerung 26 wird von dem Wechselstromnetz 12 gespeist und erzeugt über einen Transformator
27, einen Gleichrichter 28, einen Schmitt-Trigger 29, einen Frequenzteiler 30, je einen monostabilen Multivibrator 31, 32 und 33, eine Verteilerschaltung 34 und je
einen monostabilen Multivibrator 35 und 36 zyklisch wiederkehrende Steuersignale.
Die Verteilerschaltung 34 liefert den Ansteuerimpuls
wechselweise an einem ihrer beiden Ausgänge, die mit zwei Eingängen einer Anregungsvorrichtung 40 verbunden sind, die in der Zeitspanne to— U den Schweißprozeß beeinflußt Bei der dargestellten Ausführungsform
ist die Anregungsvorrichtung als Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes ausgebildet das den
Schweißlichtbogen durchsetzt und ihn aus seiner stationären Lage auslenkt
Die Anregungsvorrichtung 40 weist einen vom Wechselstromnetz 12 gespeisten Transformator 37 auf,
der an eine mit den Ausgängen der Verteilerschaltung
34 verbundene Thyristorbrücke 38 angeschlossen ist; die Tyhristorbrücke 38 erregt einen Elektromagneten 39,
der den Lichtbogen des Schweißprozesses 14 abwechselnd, unter Steuerung der Impulse von der Verteilerschaltung 34, seitlich auslenkt Eine solche Auslenkung
des Lichtbogens erfolgt im Zeitintervall to— U und hat
die Dauer T(vgL F i g. 6).
In der Verarbeitungseinheit 48 für das Ausgangssignal des Brückenmeßverstärkers 23 ist der Integrator 25
über einen Verstärker 41 mit einem Halteverstärker 42 verbunden, dessen Ausgangssignal auf eine Subtrahierschaltung 43 gegeben wird; an ihrem anderen Eingang
empfängt die Subtrahierschaltung 43 das Ausgangssignal des Integrators 24.
Das Ausgangssigna] der Subtrahierschaltung 43 wird
auf eine Einheit 46 geführt, welche die Seitenführung des Schweißbrenners entlang der Schweißfuge durchführt Das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 43
wird auf zwei parallelgeschaltete Halteverstärker 44
und 45 der Seitenführungseinheit 46 gegeben, deren Ausgangssignale in einer Subtrahierschaltung 53 voneinander
abgezogen werden. Das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 53 wird auf einen Eingang einer ■-,
weiteren Subtrahierschaltung 54 geführt, die an ihrem anderen Eingang das Ausgangssignal einer Bezugssignalquelle
56 empfängt Die Bezugssignalquelle 56 liefert ein Signal, das den Sollwert für die seitliche
Führung des Lichtbogens in der Schweißfuge, also die ι ο Einstellung des Lichtbogens in der Fugenmitte, darstellt.
Ist das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 54 Null, so befindet sich der Lichtbogen in der Fugenmitte.
Weicht das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 54 von Null ab, so wird es mittels eines Verstärkers 55
verstärkt und über einen Servomotor M zur seitlichen Führung des Schweißbrenners längs der Schweißfuge
herangezogen.
Das Ausgangssigna] des Halteverstärkers 42 der Verarbeitungseinheit 48 wird außerdem auf eine
Auswerteinheit 47 gegeben, die den in F i g. 4 dargestellten und bereits oben erläuterten Aufbau hat und zur
Höhenführung des Schweißbrenners dient
Die monostabilen Multivibratoren 31,32, 33, 35 und
36 sind so geschaltet und ihre Impulszeiten sind so 2s eingestellt, daß sich folgende Funktionsweise ergibt:
Zum Zeitpunkt to- 772 (s. F i g. 6) wird der Integrator 24 über den monostabilen Multivibrator 31 gestartet um
das Ausgangssignal des Brückenmeßverstärkers 23, beginnend mit dem Zeitpunkt fc -772, zu integrieren, jo
Dabei handelt es sich während der Zeitspanne to— 772 bis to um das noch nicht durch die Auslenkung des
Lichtbogens beeinflußte Ausgangssignal des Brückenmeßverstärkers 23.
Zum Zeitpunkt to, bei dem der Lichtbogen mittels des
von der Verteilerschaltung 34 erzeugten Ansteuerimpulses seitlich ausgelenkt wird, wird der Integrator 25
über den monostabilen Multivibrator 32 gestartet um das durch die Auslenkung des Lichtbogens beeinflußte
Ausgangssignal des Brückenmeßverstärkers 23 während der Zeitspanne Tzu integrieren.
Zum Zeitpunkt t\, also bei Beendigung der Auslenkung des Lichtbogens aus seiner normalen Lage, wird
über den monostabilen Multivibrator 33 das Ergebnis der Integration in dem Integrator 25 nach Verstärkung
um den Faktor 2 mittels des Verstärkers 41 in dem Halteverstärker 42 gespeichert, während zum Zeitpunkt
fi + 772, also wieder bei unbeeinflußtem Lichtbogen,
über die monostabilen Multivibratoren 35 und 36 die Differenz der Ausgangssignale des Integrators 24 und
des Halteverstärkers 42 über die Subtrahierschaltung 43 und unter Steuerung durch die Verteilerschaltung 34,
also synchron mit der Auslenkung des Lichtbogens mittels der Anregungsvorrichtung 40, abwechselnd in
dem Halteverstärker 44 oder 45 gespeichert wird.
Das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 43 ist jeweils zum Zeitpunkt der Einspeicherung in einem de/
beiden Halteverstärker 44 oder 45 der Seitenführungseinheit 46 proportional zu einem Wert der der
folgenden mathematischen Verknüpfung der Integrationsflächen A, Bund C(s. F i g. 6) entspricht:
A + B+C-2B=A-B+C.
Das so aufbereitete und gespeicherte Meßsignal kann dann in der Einheit 46 zur Seitenführung des
Schweißbrenners entlang der Schweißfuge herangezogen werden, indem die Ausgangssignale der Halteverstärker
44 und 45 in einer weiteren Subtrahierschaltung 53 voneinander abgezogen, das Ausgangssignal der
Subtrahierschaltung 53 in einer weiteren Subtrahierschaltung 54 mit dem Referenzsignal der Bezugssignalquelle
56 verglichen und schließlich über einen weiteren Verstärker 55 und einen Servomotor M zur seitlichen
Verschiebung des Schweißbrenners bei Abweichung von dem Sollwert verwendet werden.
Der im Halteverstärker 42 gespeicherte Wert ist ein Maß für den Abstand des Schweißbrenners vom
Werkstück, so daß dieser Wert auf die oben erläuterte Weise zur Höhensteuerung des Schweißbrenners
herangezogen werden kann.
Durch die zyklische Neubildung der eingespeicherten Werte, die über die Ablaufsteuerung 26 synchron mit
der Auslenkung des Lichtbogens aus seiner stationären Lage erfolgt, ergibt sich eine Folge von Meßwerten, die
eine kontinuierliche Höhen- und Seitensteuerung des Schweißbrenners ermöglicht
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Verfahren zum Regeln des SchweiBlichtbogens durch laufenden Vergleich elektrischer Betriebswerte
mit elektrischen Sollwerten, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig die elektrischen
Betriebsgrößen des ablaufenden Schweißprozesses (6; 14) und einer einen optimal ablaufenden
Schweißprozeß (6; 14) in seinem elektrischen Verhalten simulierenden Nachbildung (8; 15) erfaßt
und miteinander verglichen werden und daß in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs Kenngrößen
für die Anpassung des tatsächlichen Schweißprozesses (6; 14) an den optimalen Verlauf
gebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß durch die Nachbildung (8; 15) ein Schweißprozeß (6; 14) mit einem vorgegebenen
Abstand zwischen Schweißbrenner und Werkstück simuliert wird und daß in Abhängigkeit vom
Ergebnis des Vergleichs zwischen den elektrischen Betriebsgrößen des Schweißprozesses (6; 14) und
denen der Nachbildung (8; 15) eine Kenngröße erzeugt wird, die zur automatischen Höhennachführung
des Schweißbrenners herangezogen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißlichtbogen
während einer definierten Zeitspanne (T) durch eine Anregung aus seinem stationären Zustand ausgelenkt
wird, daß die dabei ermittelte Kenngröße während einer definierten Zeitspanne (772) unmittelbar vor
der Anregung und während einer definierten Zeitspanne (712) unmittelbar nach der Anregung
integriert wird und daß von der Summe dieser beiden Integrale das Integral der Kenngröße für die
Zeitspanne (T) während der Anregung subtrahiert wird.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis S, dadurch
gekennzeichnet, daß die Nachbildung aus einem elektrischen Netzwerk besteht, das eine Parallelschaltung
eines ohmschen Widerstandes (1; 18) mit einer Serienschaltung aus einem ohmschen Widerstand
(2; 19) mit einem Kondensator (3 j 20) aufweist
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißprozeß (6; 14) und die
Nachbildung (8; 15) mit Meßwiderständen (7, 9; 16, 17) zu einer Brückenschaltung zusammengefaßt sind,
wobei die Kenngröße bei Unterschieden im elektrischen Verhalten des Schweißprozesses (6; 14)
bzw. der Nachbildung (8; 15) an einer Ausgangsklemme (11) eines Brückenmeßverstärkers (10; 23)
auftritt
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißprozeß (6;
14) und die Nachbildung (8; 15) von einer gemeinsamen Energiequelle (5; 13) gespeist werden.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Netzwerk
ein Potentiometer (21) zum Angleichen der Nachbildung (15) an den angestrebten Schweißprozeß
(14) aufweist
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch eine über eine Ablaufsteuerung
(26) mit der Auslenkung des Lichtbogens synchronisierte und die Integraldifferenz bildende
Verarbeitungseinheit (48) für das Ausgangssignal des Brückenmeßverstärkers (23), wobei sowohl
Kenngrößen für die seitliche Führung des Schweißbrenners längs der Schweißfuge als auch Kenngrößen
für die Höhenführung des Schweißbrenners über dem Werkstück gebildet werden.
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