DE3590632C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Aus­ gangsleistung eines Hochfrequenzgenerators bei der Herstel­ lung von längsnahtgeschweißten Rohren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Beim Längsnahtschweißen von zu Rohren gebogenen Metallbändern entsteht ein V-förmiger Spalt, bei dem der Schweißpunkt auf­ grund der dynamischen Energieverhältnisse abhängig von der Energiezufuhr mehr oder weniger oszilliert. Daher ist es im allgemeinen notwendig, Frequenzänderungen des Hochfrequenz­ generators während des Schweißvorganges zu überwachen und eine Steuerung zur Optimierung des Schweißvorganges vorzuse­ hen.

Die hierbei maßgeblichen physikalischen Zusammenhänge sind beispielsweise in der amerikanischen Zeitschrift: H. Haga, K. Aoki, T. Sato: "Welding Phenomena and Welding Mechanisms in High Frequency Electric Resistance Welding-1st Report", WELDING RESEARCH SUPPLEMENT, Juli 1980, Seite 208 bis 212 be­ schrieben. So oszilliert beispielsweise der Schweißpunkt kaum, wenn bei geringer Energie gearbeitet wird, jedoch tritt eine relativ starke Oszillationsbewegung aufgrund der dyna­ mischen Energieverhältnisse bei einer entsprechenden Ampli­ tude und Frequenz des Hochfrequenzgenerators auf, wenn eine starke Energiezufuhr erfolgt. Der Schweißvorgang läßt sich beispielsweise in drei Arten einteilen. Bei geringer Oszillationsbewegung des Schweißpunktes handelt es sich um eine erste Art des Schweißvorganges, wenn eine mittlere Oszillationsbewegung des Schweißpunktes auftritt, so han­ delt es sich um die zweite Art des Schweißvorganges, und wenn eine sehr starke Oszillationsbewegung auftritt, so handelt es sich um die dritte Art des Schweißvorganges. Wenn man die jeweilige Art des Schweißvorganges beim momen­ tan auszuführenden Schweißvorgang erkennt, so kann man durch entsprechende Steuerung der Wärmezufuhr eine Längsnaht­ schweißung guter Qualität erreichen. Wenn sich der Schweiß­ punkt verändert, verändert sich die Belastung des Hochfre­ quenzschwingkreises für den Hochfrequenzgenerator, und die Ausgangsfrequenz, die Phasendifferenz zwischen der Ausgangs­ spannung und dem Strom und die Ausgangsleistung. Durch Erfas­ sen einer der vorstehend genannten Variablen läßt sich die Veränderung der Position des Schweißpunktes erfassen und es läßt sich bestimmen, zu welchen der drei Arten des Schweiß­ vorganges der gegenwärtige Schweißvorgang zuzurechnen ist. Wenn man die Frequenzänderung oder die Periode des Hochfre­ quenzgenerators erfaßt, kann man hierdurch die Wärmezufuhr steuern, so daß man bei der zweiten Art des Schweißvorgan­ ges ein geeignetes Ergebnis beim Längsnahtschweißen errei­ chen kann.

Aus US-PS 42 54 323 der gleichen Anmelderin ist eine Vorrich­ tung zur Überwachung eines Schweißvorganges durch digitale Messung der Schweißkennwerte beim Hochfrequenzschweißen be­ kannt. Hierbei wird die Periodendaueränderung Δ f sowie die Periodenänderung Δ (1/f) erfaßt, und der Ausgang des Hoch­ frequenzgenerators derart gesteuert, daß die erfaßte Perio­ denänderung Δ (1/f) gleich dem optimalen Sollwert Δ (1/f)(T) wird. Die zu Rohren gebogenen Metallbänder bilden hierbei den Verbraucher in dem Hochfrequenzschwingkreis. Der Schweißzustand hat einen Einfluß auf die Schwingungsfrequenz f(i) des Hochfrequenzschwingkreises. Wenn sich der Schweißzu­ stand ändert, ändert sich die Position des Schweißpunktes und entsprechend die Schwingungsfrequenz. Die Frequenz f(i) wird einem Periodenzähler zugeführt, dessen Ausgang zur Fre­ quenzteilung mit einem Frequenzteiler verbunden ist, der bei­ spielsweise eine Teilung durch 100 vornimmt. Ein Impuls ent­ sprechend der ansteigenden oder fallenden Flanke des Aus­ gangs f (100) des Frequenzteilers wird durch einen monostabi­ len Multivibrator erzeugt. Der erzeugte Impuls wird einem Zwischenspeicherschaltkreis über einen Zählschaltkreis zuge­ führt. Ein erster Ausgangsimpuls des monostabilen Multivibra­ tors, mit dem die ansteigende Flanke erfaßt wird, bewirkt, daß die Zählung des Wählschaltkreises durch den Zwischenspeicher­ schaltkreis aufgenommen wird, während ein späterer Ausgangs­ impuls des monostabilen Multivibrators, mit dem die fallende Flanke erfaßt wird, bewirkt, daß der in einer Einstelleinrich­ tung eingestellte Wert durch den Zählschaltkreis aufgenommen wird. Nach der Zuführung des eingestellten Wertes führt der Zähler ein Abwärtszählen der Anzahl der empfangenen Ausgangs­ impulse des Oszillators, ausgehend von dem eingestellten Wert, durch und liefert den jeweils vorhandenen Restwert. Wenn der monostabile Multivibrator einen Ausgang entsprechend dem Subtraktionsergebnis von vom Oszillator empfangener Impulsan­ zahl und eingestelltem Wert liefert, so wird diese Größe im Zwischenspeicherschaltkreis aufgenommen. Wenn die Frequenz f(i) beispielsweise 400 kHz beträgt, ergibt sich die Periode als Ergebnis der Division der Frequenz von 400 kHz durch 100 zu 0,25 ms. Die Ausgangsfrequenz des Oszillators ist 100 MHz. Die Taktimpulsanzahl während der Periode von 0,25 ms zum Eingeben des eingestellten Wertes in den Zähler beläuft sich somit auf 25 000. Wenn der mit Hilfe der Einstelleinrichtung eingestellte Wert 25 000 beträgt, so ist der vom Zwischen­ speicherschaltkreis erhaltene Wert 0, wenn die Frequenz f 400 kHz beträgt, während die Anzahl der der Differenz ent­ sprechenden Impulse durch den Zwischenspeicherschaltkreis aufgenommen wird, wenn die Frequenz höher als 400 KHz ist. Der Differenzwert im Zwischenspeicherschaltkreis wird mit Hilfe eines Analog/Digital-Wandlers in ein Analogsignal um­ gewandelt und das Signal wird einem Abtastschaltkreis zur Bestimmung der Spitze- Spitze-Werte zugeführt. Dieser Abtast­ schaltkreis hat alle einige zehntel Sekunden den Differenz­ wert zwischen den Maximal- und Minimalwerten des Ausgangs des Digital/Analog-Wandlers und es wird der entsprechende Wert der Periodendaueränderung Δ (1/f) erzeugt. Dieser Perioden­ daueränderungswert Δ (1/f) wird als Rückführungssignal für die Steuerung des Ausgangs des Hochfrequenzgenerators ge­ nutzt. Die hierbei erhaltene Auflösung oder Empfindlichkeit ist jedoch gering, da das Signal hierbei digital abgetastet wird. Auch kann eine automatische Erfassung des Sollwerts Δ (1/f) (T) nicht erfolgen, da die Bedienungsperson durch Beobachtung der Farbe der Schmelze am Schweißabschnitt je­ weils von Fall zu Fall den vorzugebenden Sollwert bestimmen muß. ferner ist der Schaltungsaufbau dieser bekannten Vor­ richtung relativ kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung der Ausgangsleistung eines Hochfrequenzgenerators bei der Herstellung von längsnahtgeschweißten Rohren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung desselben bereitzustellen, bei welchem eine automatische Ermittlung des Sollwerts mit hoher Genauigkeit bei hoher Auflösung ermöglicht wird.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe beim Verfahren zur Re­ gelung der Ausgangsleistung eines Hochfrequenzgenerators bei der Herstellung von längsnahtgeschweißten Rohren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird diese Aufgabe mit der Vorrichtung nach dem Anspruch 2 gelöst.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung ist in Anspruch 3 wiedergegeben.

Beim Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung wer­ den die Vereinfachung des Schaltungsaufbaues und das hohe Auflösungsvermögen der gemessenen Werte im wesentlichen da­ durch erreicht, daß man die Differenz Δ f der Frequenzände­ rung anstelle der Periodendaueränderung als Differenz bei der Steuerung verarbeitet, wobei in vorrichtungstechnischer Hinsicht ein PLL-Schaltkreis oder ein Frequenz/Spannungs­ wandler verwendet wird. Auch der Sollwert der Frequenzände­ rung Δ f läßt sich automatisch durch Abtastung des Wertes Δ f bestimmen, wenn die Frequenz von f(p) maximal wird, d. h. wenn die zeitlich differenzierte Frequenzänderung der Schwin­ gungsfrequenz einen Maximalwert annimmt.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Beispiel unter Be­ zugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer üblichen Vorrichtung zur automatischen Steuerung der Wärmezufuhr beim Längs­ nahtschweißen,

Fig. 2 ein Wellenformdiagramm für die verschiedenen Arten der Schweißvorgänge,

Fig. 3 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Kennwerte über den Zusammenhang zwischen der elektrischen Lei­ stung und der Frequenzänderungsgröße und der Frequenzänderungsgröße der Schwingungsfrequenz, und

Fig. 4 eine Vorrichtung zur Regelung der Ausgangsleistung eines Hochfrequenzgenerators bei der Herstellung von längsnahtgeschweißten Rohren.

Bei der Vorrichtung von Fig. 1 wird die Periodendauer der durch den Schweißvorgang bedingten Änderung der Betriebsfrequenz Δ f und entsprechend die Periodenänderung Δ (1/f) erfaßt und die Ausgangsleistung des Hochfrequenzgenerators 1 zum Schweißen so gesteuert, daß der Istwert Δ (1/f) der Perioden­ änderung dem Sollwert Δ (1/f)(T) entspricht. Das zu schwei­ ßende Stahlrohr 7 ist der Verbraucher im Hochfrequenzschwing­ kreis des Hochfrequenzgenerators 1, und, wenn sich der Schweißzustand und die Position des Schweißpunktes ändert, beeinflußt der Schweißzustand des Stahlrohrs die Frequenz f(i) des Hochfrequenzschwingkreises und die Frequenz des Hochfrequenzschwingkreises ändert sich.

Die Frequenz f(i) wird dem Periodenzählschaltkreis 81 zum Zählen der Periode (1/f) zugeführt. In dem Periodenzählkreis 81 wird das Signal in dem Frequenzteiler 811 durch 100 ge­ teilt und der Anstieg oder Abfall des Ausgangssignals des Frequenzteilers f/100 bewirkt die Erzeugung des Impulses durch die monostabilen Multivibratoren 812 und 813. Die er­ zeugten Impulse werden dem Zähler 816 zugeführt. Der Ausgang des Zählers 816 wird dem Zwischenspeicherschaltkreis 817 zuge­ führt. Der Ausgangsimpuls des monostabilen Multivibrators 812, der der ersten Anstiegspunkt des Erfassungsimpulses ist, wird durch den Zwischenspeicherschaltkreis 817 des Zählers 816 empfangen, während der Ausgangsimpuls des monostabilen Multi­ vibrators 813, der dem späteren Abfallpunkt des Erfassungsim­ pulses entspricht, bewirkt, daß der in der Einstelleinrichtung 815 eingestellte Sollwert durch den Zähler 816 empfangen wird. Nach der Aufnahme des Sollwerts führt der Zähler 816 das Ab­ wärtszählen der Ausgangsimpulse des Oszillators 814 vom Soll­ wert durch und gibt die Restdifferenz aus. Der Zählerstand im Moment, wenn der monostabile Multivibrator 812 einen Ausgang erzeugt, d. h. die Differenz zwischen Istwert und Sollwert erhält der Zwischenspeicherschaltkreis 817.

Die Frequenz f(i) ist beispielsweise 400 kHz. Die Periode der Frequenzteilung durch 100 dieser Frequenz beträgt 0,25 ms, die Ausgangsfrequenz des Oszillators 814 100 MHz und die Anzahl der Taktimpulse in der Periode 0,25 ms, während der der Sollwert in den Zähler 816 eingegeben wird, beträgt 25 000.

Angenommen, daß der an der Einstelleinrichtung 815 einge­ stelle Sollwert 25 000 beträgt, so ist der von dem Zwischen­ speicherschaltkreis aufgenommene Wert 0, wenn f = 400 kHz ist, während eine Anzahl der Impulse entsprechend der Diffe­ renz durch den Zwischenspeicherschaltkreis 817 empfangen wird, wenn f < 400 kHz ist. Diese durch den Zwischenspeicher­ schaltkreis 817 empfangene Impulsanzahl wird in ein Analog­ signal durch den Digital/Analog-Wandler 818 umgewandelt, und das Analogsignal wird in den Abtastschaltkreis 4 zur Bestim­ mung des Spitze-Spitze-Werts der Frequenzänderung eingegeben. Die Abtastschaltung 4 für den Spitze-Spitze-Wert, tastet die Differenz zwischen dem Maximal- und dem Minimalwert des Digi­ tal/Analog-Wandlers 818 alle einige 10 ms ab und erzeugt somit den Wert für die Periodendaueränderung Δ (1/f). Die Periodendaueränderung Δ (1/f) wird als Rückführungssignal zur Steuerung des Ausgangs des Hochfrequenzgenerators 1 genutzt. In bezug auf die Vorrichtung von Fig. 1 ist das Auflösungsver­ mögen gering, da die Vorrichtung von Fig. 1 die Signale digi­ tal verarbeitet. Es ist ebenfalls für die Bedienungsperson notwendig, persönlich den Sollwert Δ (1/f) (T) durch Beobach­ ten der Farbe der Schmelze am Schweißabschnitt zu bestimmen.

Die erste, zweite und dritte Art des Schweißvorgangs ist in Fig. 2 dargestellt. Die Beziehungen zwischen der elektrischen Energie, der Frequenzänderung Δ f und des zeitlichen Dif­ ferentialquotienten D (Δ f) der Frequenzänderung sind in Fig. 3 dargestellt. Der zeitliche Differentialquotient D (Δ f) der Veränderung wird üblicherweise durch den Einstellwert SPL dargestellt.

Eine Vorrichtung zur automatischen Regelung der Wärmezufuhr infolge der Regelung der Ausgangsleistung des Hochfrequenz­ generators nach der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Der PLL-Schaltkreis 2 umfaßt einen Phasenvergleicher 21, ei­ nen Tiefpaßfilter 22 und einen spannungsgesteuerten Oszilla­ tor 23. Der Schaltkreis 3 zur Erfassung eines Sollwertes Δ f umfaßt einen Differenzierschaltkreis 31, einen Frequenz- Spannungswandler 32, einen zweiten Abtastschaltkreis 33 zur Erfassung des Maximalwerts und einen dritten Abtastschalter 35 zur Bildung des Sollwerts und einen Vergleicherschaltkreis 34.

Wenn das Signal der Ausgangsfrequenz f(i) des Hochfrequenz­ generators 1 dem Phasenvergleicher 21 in dem PLL Schaltkreis 2 zugeführt wird, erzeugt der Phasenvergleicher 21 einen der Phasendifferenz zwischen dem zugeführten Signal und dem Aus­ gang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 23 entspre­ chenden Ausgang. Die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuer­ ten Oszillators 23 wird zuerst eingestellt, um innerhalb ei­ nes erlaubten Bereiches von ±5% der Frequenz f(i) zu liegen. Die Hochfrequenzkomponente des Ausgangs des Phasenvergleichers 21 wird durch den Tiefpaßfilter 22 herausgefiltert. Der Aus­ gang des Tiefpaßfilters 22 wird dem spannungsgesteuerten Os­ zillator 23 zum Verändern der Ausgangsfrequenz des spannungs­ gesteuerten Oszillators zugeführt, um die Phasendifferenz vom Eingangssignal f(i) aufzuheben.

Die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 23 folgt auf diese Weise der Eingangsfrequenz. Unter diesen Umständen ist die Beziehung zwischen der Amplitude des Fre­ quenzsignals f(a), das den Ausgang des Tiefpaßfilters 22 darstellt, und der Ausgangsfrequenz f(i) durch eine gerade Linie 1 dargestellt, wobei f(a) der Änderung von f(i) entspricht. Anstelle dieses spannungsgesteuerten Oszilla­ tors kann ein Frequenz/Spannungswandler verwendet werden, der anders als der PLL Schaltkreis ausgelegt ist. Anschlie­ ßend bestimmt der erste Abtastschaltkreis 4 den Spitze- Spitze-Wert der Differenzen zwischen den Maximal- und Mini­ malwerten der Größe f(a) und liefert die Frequenzänderung Δ f. Der erste Abtastschaltkreis 4 zur Bestimmung des Spitze- Spitze-Werts ist derart ausgelegt, daß man alle einige 10 ms die neuesten Werten von f enthält, und der erhaltene Δ f-Wert kann an einer Δ f-Anzeigeeinrichtung (nicht gezeigt) angezeigt werden, die mit dem Ausgang des ersten Abtastschaltkreises 4 verbunden ist. Die Differenz zwischen Δ f und dem Sollwert Δ f(T) steuert die Ausgangsleistung des Hochfrequenzgenera­ tors 1 zum Schweißen, um die Differenz 0 zu machen. In der Vorrichtung von Fig. 4 hat der PLL-Schaltkreis 2 einen Zähl­ schaltkreis zum Zählen der Periode der Frequenz bei der be­ kannten Vorrichtung ersetzt, so daß eine Vereinfachung der Gesamtschaltung erreicht wird.

Der Sollwert Δ f(T) wird vom Sollwertschaltkreis 3 erzeugt. In dem Sollwertschaltkreis 3 wird der Ausgang f(a) des Tief­ paßfilters 22 im Differenzierschaltkreis 31 differenziert und entsprechende Impulssignale erzeugt. Die Wellenformen des Ausgangs f(a) des Tiefpaßfilters 22 und des Ausgangs f(p) des Differenzierschaltkreises 31 sind in Fig. 2 entsprechend der ersten bis dritten Art des Schweißvorgangs gezeigt. Die Frequenz des Ausgangs f(p) wird in eine Analogspannung SPL durch den Frequenz-Spannungswandler 32 umgewandelt und die so umgewandelte Analogspannung wird an einer SPL-Anzeigeein­ richtung (nicht gezeigt) angezeigt, die mit dem Ausgang des Frequenz-Spannungswandlers 32 verbunden ist, und diese Ana­ logspannung wird an den zweiten Abtastschaltkreis 33 zur Er­ fassung des Maximalwerts und die Vergleichsschaltung 34 ange­ legt. Die Vergleichsschaltung 34 vergleicht den Spitzenwert SPL _m des SPL-Wertes, der von der zweiten Abtastschaltung 33 kommt, und den Stromwert von SPL, der von dem Frequenz-Span­ nungswandler 32 geliefert wird. Wenn sich als Vergleichs­ ergebnis SPL _m < SPL ergibt, liefert die Vergleichsschaltung 34 ein Abgabesignal. Somit wird der Wert Δ f zu dem Zeitpunkt, wenn SPL den Maximalwert annimmt, in den dritten Abtastschalt­ kreis 35 zur Bildung des Sollwerts eingegeben, und dieser Schaltkreis 35 liefert als Ausgang die Größe Δ f(T).

Die Änderungen von Δ f und SPL nach Maßgabe der elektrischen Ausgangsleistung in kW des Hochfrequenzgenerators für den Schweißvorgang sind in Fig. 3 verdeutlicht. Zuerst wird Δ f mit der Zunahme der Ausgangsleistung erhöht und anschließend wird er nach Erreichen des Spitzenwerts herabgesetzt. Der Bereich bis etwa zum maximalen Anstieg, d. h. der Punkt, an dem SPL den Maximalwert annimmt, entspricht etwa dem Schweiß­ vorgang der zweiten Art. Der den Sollwert ausgebende Schalt­ kreis 30 macht von der oben beschriebenen Tatsache Gebrauch. Der Empfang von Δ f durch den dritten Abtastschaltkreis 35 am Arbeitsbeginn der Vorrichtung, d. h. die Entscheidung von Δ f(T) wird während der Zunahme der elektrischen Ausgangs­ leistung in kW des Hochfrequenzgenerators 1 durch ein Haupt­ steuersystem durchgeführt, das in den Zeichnungen nicht darge­ stellt ist. Nach dem Empfang von Δ f wird der Empfangsvorgang untersagt, und die Regelung wird unter Verwendung von Δ f(T) als Bezugswert fortgeführt.

Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 4 wird die Schaltung zur Mes­ sung des optimalen Wärmezufuhrsteuerindexes Δ f in hohem Maße vereinfacht, die Genauigkeit der Messung vergrößert und eine wirtschaftliche Vorrichtung verwirklicht. Das Einstellen des optimalen Sollwertes als die Sollwerte von Δ f, der sich entsprechend der Materialbahn des zu verschweißenden Rohres ändert, wird automatisch durch das SPL-Signal bestimmt, so daß eine sehr vorteilhafte Vorrichtung verwirklicht wird.

Claims (3)

1. Verfahren zur Regelung der Ausgangsleistung eines Hochfrequenzgenerators bei der Herstellung von längsnahtge­ schweißten Rohren, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die durch den Schweißvorgang bedingte Änderung (Δ f) der Betriebsfrequenz des Hochfrequenzgenerators erfaßt (Istwert) und
• b) vom zeitlichen Differentialquotienten D (Δ f) der Frequenzänderung (Δ f) der Sollwert (Δ f(T)) abgeleitet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Pa­ tentanspruch 1, gekennzeichnet durch

• a) einen Schaltkreis (2) zum Erfassen der Frequenzän­ derung des Hochfrequenzgenerators (11) und zur Erzeugung eines Frequenzsignals (f(a)),
• b) einen ersten Abtastschaltkreis (4) zur Bestimmung des Spitze-Spitze-Wertes der Frequenzänderung (Δ f), basierend auf dem Frequenzsignal (f(a)),
• c) einen Sollwertschaltkreis (3) zur Bildung des vom Differentialquotienten des Frequenzsignals (f(a)) abhängigen Sollwertes (Δ f(T)) und
• d) einen Subtraktionsschaltkreis (5) zur Bildung des Signales für die Leistungssteuerung des Hochfrequenzgenera­ tors (11).

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertschaltkreis (3) folgende Teilschaltungen umfaßt:

• a) einen Differenzierschaltkreis (31),
• b) einen Frequenz/Spannungswandler (32),
• c) einen zweiten Abtastschaltkreis (33) zur Erfassung des Maximalwertes des Differentialquotienten D (Δ f),
• d) eine Vergleichsschaltung (34) für den momentanen und den maximalen Wert des Differentialquotienten D (Δ f) und
• e) einen dritten Abtastschaltkreis (35) zur Bildung des Sollwertes (Δ f(T)).