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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des elektrischen Lichtbogenschweißens und
bezieht sich mehr im Besonderen auf ein Verfahren zum Steuern oder
Regeln eines Lichtbogenschweißprozesses
unter Verwendung eines einzigartigen Kontrollparameters und eine
Schweißvorrichtung
mit einer Kontrolleinrichtung zur Erzeugung und Verwendung eines
derartigen einzigartigen Parameters. Ein Beispiel nach dem Stand
der Technik ist in der
US-A 4,631,385 offenbart.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektrisches
Lichtbogenschweißen
ist ein komplexes, elektrisches Phänomen mit vielen Prozess-Kontrollvariablen,
welche die Qualität
der Schweißung
beeinflussen, egal ob Sprühtransfer,
Impulstransfer, Gleichstromtransfer, Gleichstrom-GMAW-Schweißen oder
Wechselstromschweißen
zum Einsatz kommt. Beim Schweißen
mit konstanter Spannung wird der Schweißprozess normalerweise über den
Schweißstrom
Ia geregelt oder gesteuert. Wenn die Spannung
konstant gehalten wird, bewirken Änderungen im Abstand zwischen Kontaktspitze
und Werkstück
(CTWD, Contact Tipp to Work Dimension) Stromänderungen wie auch andere Verfahrensveränderungen;
aus diesem Grund haben Steuer- oder Regeleinrichtungen, welche die Volt/Amperekennlinie
für das
Verfahren zugrunde legen, ihnen innewohnende Beschränkungen.
Der Abstand zwischen Kontaktspitze und Werkstück CTWD hat einen erheblichen
Einfluss auf den Strom, da der Strom ansteigt, wenn der Betrag CTWD
geringer wird und umgekehrt. Versuche, das Gleichstrom-GMAW-Schweißverfahren
in Abhängigkeit vom
Elektrodenvorstand oder dem Wert CTWD zu regeln, haben Schwierigkeiten
aufgeworfen, da es schwierig ist, diese Parameter in Echtzeit zu
bestimmen. Es gibt keine bislang messbaren Schweißverfahrenparameter,
die ein Kontrollsignal zur Verfügung
stellen, das im Wesentlichen unbeeinflusst durch den Schweißstrom ist.
Noch bedeutsamer ist, dass es in der Vergangenheit keinen Parameter
gab, um ein Kontrollsignal zu schaffen, mit dem die Lichtbogenlänge auf
Echtzeitbasis reguliert werden kann. Es ist bekannt, dass die Aufrechterhaltung
dieses Abstandes zwischen der Unterseite der Elektrode und dem Werkstück auf einem
gleichbleibenden Wert zu einer besseren und wiederholbaren Schweißqualität führt.
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Die Erfindung
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Mit
der Erfindung wird die Vorrichtung nach Anspruch 1 und das Verfahren
gemäß Anspruch
2 geschaffen. Die vorliegende Erfindung behebt frühere Schwierigkeiten
beim Steuern oder Regeln von Lichtbogenschweißprozessen, indem ein Parameter gemessen
wird, um ein einzigartiges Kontrollsignal zu erzeugen, das repräsentativ
für den
Widerstand des Lichtbogens ist, aber nicht von dem Schweißstrom abhängt. Dementsprechend
wird das unter Verwendung der Erfindung erzeugte Kontrollsignal nicht
durch eine große
Anzahl von Variablen beeinflusst, die mit einer Regelung zusammenhängen, die auf
dem Schweißstrom
basiert. Erfindungsgemäß wird die
Ableitung der Schweißspannung
nach dem Schweißstrom
gemessen, um einen Parameterwert zu erhalten, der als Kontrollsignal
zum Aufrechterhalten einer Schweißbedingung wie beispielsweise
der Lichtbogenlänge
während
des Schweißprozesses verwendet
wird. Die Ableitung der Schweißspannung nach
dem Schweißstrom
ist ein konstruierter, einzigartiger Regelparameter, der sich deutlich
von dem Lastwiderstand unterscheidet, wie man ihn einfach durch
eine Division der Spannung durch den Strom erhält. Dieser einzigartige Parameter
wurde bislang noch nicht beim elektrischen Lichtbogenschweißen erzeugt
und/oder verwendet, um ein Signal zum Steuern oder Regeln des Schweißprozesses
zu schaffen.
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Die
Erfindung bezieht sich in erster Linie auf einen die Eigenschaften
eines Schweißprozesses angebenden
Parameter, der ein Echtzeit-Kontrollsignal
zum Halten der Lichtbogenlänge
auf einem eingestellten Abstand erzeugen kann. Der komplementäre Elektrodenvorstand
(ESO) in Verbindung mit der Lichtbogenlänge entspricht dem Abstand
zwischen Kontaktspitze und Werkstück CTWD.
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Die
Lichtbogenspannung Varc des Schweißprozesses
enthält
einen Anteil, der einer Konstante A plus einer Konstante B, multipliziert
mit der Lichtbogenlänge
Larc entspricht. Die erste Konstante A ist die Arbeitsfunktion
an der Kathode plus die Spannungsabfälle an der Anode und der Kathode.
Die Spannungsabfälle
an der Anode und Kathode sind bekannt und betragen bei Eisenmaterialien
etwa 4,15 Volt. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft
einen Prozess zum Schweißen
von Stahl; allerdings können
auch andere Metalle wie beispielsweise Aluminium unter Verwendung
der Erfindung geschweißt
werden. Der Anodenabfall und Kathodenabfall ist also eine Konstante,
die 8,3 Volt entspricht. Die Arbeitsfunktion ist ein Phänomen an
der Kathode und beträgt
normalerweise etwa 3,7 Volt. Demgemäß ist die erste Konstante A
gemäß der die Lichtbogenspannung
angebenden Formel generell im Bereich von 12,0, d.h. 8,3 + 3,7.
Die zweite Konstante B, die durch die Lichtbogenlänge Larc multipliziert ist, hängt von dem beim Schweißprozess
verwendeten Schutzgas ab. Für
ein Gas mit einer Zusammensetzung von 85% Argon und 15% Kohlendioxid
ist diese Konstante 18,7. Demgemäß variiert
Varc in Abhängigkeit mit der ersten Konstante
(12,0) plus der zweiten Konstante (18,7) multipliziert mit der Lichtbogenlänge Larc in Zentimetern. Die andere Komponente
der Lichtbogenspannung Varc ist der Schweißstrom Ia multipliziert mit dem Lichtbogenwiderstand
Rarc. In der Summe, Varc =
BLarc + IaRarc. Demgemäß wird bei bekannter Lichtbogenspannung Varc ein geeigneter Algorithmus verwendet,
um die Lichtbogenlänge
zu bestimmen. Die Lichtbogenlänge kann
dann aufrechterhalten werden. Da der Schweißstrom Ia festgestellt
werden kann, ist die einzige Unbekannte der Lichtbogenwiderstand
Rarc. Die vorliegende Erfindung schafft
ein Signal, das den Lichtbogenwiderstand repräsentiert. Somit kann die Lichtbogenlänge aufrechterhalten
werden, indem die vorliegende Erfindung zum Erzeugen eines Signals oder
Wertes verwendet wird, das bzw. der den Lichtbogenwiderstand repräsentiert.
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Bei
Verwendung der vorliegenden Erfindung wird ein einzigartiger Parameter,
nämlich
die Spannung abgeleitet nach dem Strom (dV/dI) als Kontrollsignal
als Wert für
den Lichtbogenwiderstand beim Aufrechterhalten der Lichtbogenlänge verwendet. Diese
abgeleitete Funktion bezieht sich auf den Widerstand des Lichtbogens
selbst. Tatsächlich
bezieht sie sich auf den gesamten Widerstand RESO +
Rarc über
den Abstand zwischen Kontaktspitze und Werkstück (ZTWD). Wegen der verhältnismäßig geringen Größe von RESO ist das erfindungsgemäße dV/dI- Signal in erster Näherung repräsentativ für den Lichtbogenwiderstand
in einem Lichtbogenschweißprozess. Das
erfindungsgemäße Signal
ist nicht gleich dem Lastwiderstand, der einfach durch Division
der Schweißspannung
durch den Schweißstrom
auf Echtzeitbasis erhalten wird. Die Erfindung beruht auf dem Konzept,
die Ableitung der Spannung nach dem Strom zu ermitteln, um eine
Widerstandsfunktion zu erhalten, die den Strom ignoriert. Dieser
Parameter wird verwendet, um die Spannung über den Lichtbogen zu ermitteln
und die Länge
des Lichtbogens aufrecht zu erhalten.
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren geschaffen, mit dem ein Echtzeit-Kontrollsignal zur Verwendung in einem
elektrischen Lichtbogenschweißprozess
erzeugt wird, bei dem eine Prozessschweißspannung und ein Prozessschweißstrom herrschen. Das
Verfahren sieht eine Ableitung der Schweißspannung nach dem Schweißstrom vor,
um ein Kontrollsignal zu erzeugen. Dieses Kontrollsignal wird als Widerstand
oder Impedanz bezeichnet, da es das Teilen von Strom in Spannung
vorsieht. Das neue Kontrollsignal verändert sich also mit der Größe des Lichtbogenwiderstandes
und wird als direkte Bezugsgröße zur Spannung
des Lichtbogens verwendet. Der Pseudo-Widerstand ("Inkrementalwiderstand") ist das Kontrollsignal
und bildet einen einzigartigen Parameter, welcher das grundlegende
Konzept der vorliegenden Erfindung darstellt. Dieses Kontrollsignal
wird mit dem aktuellen Schweißstrom multipliziert,
um einen Wert zu erhalten, zu dem der Lichtbogenlängenwert
addiert wird, um ein Signalniveau zu erhalten, das die Spannung über dem
Lichtbogen repräsentiert.
Die bekannte Kontrollfunktion existiert, wo ein erstes Element (a)
die Summe einer ersten Konstante (etwa 8-20, 12 für Eisenmetalle),
einer zweiten Konstante (etwa 10-35, 18,5 für 90% Argon und 10% Kohlendioxid)
mal der Lichtbogenlänge Larc verglichen wird mit einem zweiten Element
(b), das die Lichtbogenspannung abzüglich dem Schweißstrom multipliziert
mit dem Lichtbogenwiderstand ist, um (c) die Lichtbogenlänge aufrecht
zu erhalten. Die Erfindung erlaubt eine Umsetzung dieser Kontrollfunktion
durch Erzeugung eines Kontrollsignals, das den Lichtbogenwiderstand
repräsentiert oder
mit diesem variiert. Diese Steuerungs- oder Regelungssysteme zum
Aufrechterhalten der Lichtbogenlänge
werden mit der vorliegenden Erfindung erreicht und stellen Aspek te
der Erfindung dar, wobei ein neues Kontrollsignal als Ableitung
der Gesamtspannung im Schweißprozess
nach dem Gesamtstrom im Schweißprozess
erzeugt wird.
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Nach
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Ableitung,
die das wesentliche Merkmal der Erfindung darstellt, erreicht durch
eine kleine Schwankung des Schweißstroms. Auf den Schweißstrom wird
ein Schwankungsmuster angewandt, um die "Inkremental-Impedanz" oder den "Inkrementalwiderstand" Rz des
Schweißschaltkreises zu
bestimmen. Vor der Schwankung werden die Spannung und der Strom
ermittelt. Das Schwankungsmuster erhöht dann den Strom und wartet
während
einer Verzögerungszeit.
Diese Verzögerung lässt eine
Verzerrung abklingen, die durch induktive Reaktanz verursacht wird.
Die Spannung und der Strom werden erneut gemessen und aufgezeichnet. Indem
man die aufgezeichneten Spannungen und Ströme voneinander abzieht, kann
man die Ableitung der Spannung nach der Zeit durch Teilen der Spannungsdifferenz
durch die Stromdifferenz erhalten. Indem man eine Ableitung des
Verhältnisses
zwischen Spannung und Strom verwendet, hat man einen hochauflösenden Schaltkreis,
da die Differenz beim Strom vergleichsweise klein ist und der erzeugte Wert
der Ableitung im allgemeinen Bereich zwischen 0,005 und 0,075 Ohm
liegt. Die Differenz der Spannung ist ebenfalls vergleichsweise
gering und liegt generell im Bereich zwischen 0,15 und 2,0 Volt.
Dementsprechend wird für
die Ermittlung eine hohe Auflösung
verwendet. Allerdings ist die absolute Genauigkeit nicht kritisch,
da der Wert der Inkrementalimpedanz eine Ableitungsmessung ist.
Demgemäß ist die Auflösung erforderlich,
aber die Genauigkeit bei den Datenwerten ist nicht kritisch. Da
große
Werte bei der Stromschwankung die Lichtbogenlänge auch beeinflussen, wird
die Schwankung beschränkt
auf einen kleinen prozentualen Anteil des Schweißstromes, um einen Einfluss
auf die Lichtbogenlänge
zu vermeiden. In der Praxis ist die Stromschwankung kleiner als
10% und generell niedriger als 5% des beim Schweißprozess
verwendeten Stroms. Obwohl der abgeleitete Wert erhalten werden
kann, indem man einfach den Strom erhöht, um die Spannung und den Strom
vor und nach dieser Erhöhung
zu messen, wird in bevorzugter Ausführungsform der Erfindung der
Strom vorsorglich für
eine zweite Spannungs- und Strommessung erhöht. Anschließend wird der Strom
unter den Schweißstrom
abgesenkt, um eine dritte Messung zu ermöglichen. Nach dieser Messung
wird der Strom wieder auf den Schweißstrom für eine vierte Messung angehoben.
Demgemäß gibt es
also vier Werte der Spannung und des Stroms, um drei separate Differenzwerte
zu bilden, die für
ein Stromschwankungsmuster erhalten werden. Der zweite Differenzwert
basiert auf einer deutlich größeren Stromveränderung
als der erste oder die letzten Stromdifferenzen, die durch das Schwankungsmuster
erzeugt werden. Indem man drei Differenzwertepaare erhält, die
man dividiert, um Ableitungen zu erhalten, und dann durch Teilung
der Summe der Ableitungen durch drei mittelt, erhält man eine
bessere Darstellung des tatsächlichen
Ableitungswertes oder Kontrollsignals.
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Das
bevorzugte Verfahren, um die Inkrementalimpedanz (Rz)
zu erhalten, verwendet das Stromversorgungskontrollsystem der Schweißeinrichtung, um
die Stromwellenform zu stören.
Die resultierenden Spannungs- und Stromdaten werden gemessen, um
dV/dI auf die vorstehend beschriebene Weise zu erhalten. Alternativ
kann die Stromquelle selbst die Spannungswellenform pertubieren.
Die resultierenden Spannungs- und Stromwerte werden gemessen, um
dV/dI zu erhalten. Bei einer anderen Ausführungsform wird die Stromquelle
verwendet, um ein Signal zu erzeugen, das sich auf den Strom oder
die Spannung bezieht, beispielsweise den Eingang zur Pulsweite in
einem pulsweitenmodulationsgeregelten Schweißgerät. Die resultierenden Spannungs- und Stromdaten werden
dann gemessen. Eine weitere Ausführungsform
verwendet einen externen Schaltkreis wie z.B. einen Hochleistungsfunktionsgenerator,
um eine Störung
beim Strom oder der Spannung zu erzeugen. Die resultierenden Spannungs-
und Stromdaten werden gemessen, um dV/dI zu erhalten. Eine weitere
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stört
den Ausgang der Stromquelle mit einem externen Schaltkreis, z.B.
einem Hochleistungstransistor, der verwendet wird, um einen Teil
des Stroms vom Lichtbogen abzuzweigen. Die resultierenden Spannungs-
und Stromdaten werden gemessen, um dV/dI zu erhalten. Obwohl die
bevorzugten Ausführungsformen
einen abrupten Anstieg und Abfall entweder des Stroms oder der Spannung
verwenden, um die in der vorliegenden Erfindung benutzten Differenzialwerte
zu erhalten, ist es möglich,
mit einer Sinuswelle oder einer anderen künstlichen Wellenform die Schwankung
hervorzurufen, da die Zeiteinteilung bei den Störungen für die Erzeugung des Ableitungssignals
dV/dI nicht kritisch ist. Es gibt eine Zeitverzögerung vor jeder Messung, so
dass die induktive Reaktanz keinen Fehler bei den Messergebnissen
erzeugt. Die Spannungsdifferenz wird gemessen, nachdem sich der
Strom stabilisiert hat. Es wurde herausgefunden, dass die Zeit für die Stabilisierung
generell im Bereich zwischen 50 und 100 Mikrosekunden liegt. Dies
sind minimale Verzögerungen und
längere
Verzögerungen
sind unbeachtlich.
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Bei
dem Schwankungsmuster zum Beschaffen mehrerer Daten nach der vorliegenden
Erfindung wird der Strom positiv und dann negativ umgeschaltet.
Dies hilft, um die kleinen, momentanen Veränderungen der Lichtbogenlänge auszugleichen,
die durch die Schwankung bewirkt werden. Gleichgroße positive
und negative Schaltdurchgänge
gleichen den Stromquellenausgang aus, so dass die Abschmelzrate
von den Schwankungen beim Strom nicht beeinflusst wird. Die zweite
Stromveränderung in
dem Schwankungsmuster ist üblicherweise
doppelt so groß wie
die erste Stromveränderung.
Dies verdoppelt die gesammelten Datenwerte und schafft eine bessere
Auflösung.
Durch Verwendung von drei aufeinanderfolgenden Ableitungen wird
ein beständigeres
Kontrollsignal erzeugt. In der Praxis werden die Spannungs- und
Strommessungen etwa alle 10 Millisekunden durchgeführt. Eine
derartige Taktung verändert
die Wellenformen der meisten Wellenformregelungen nicht. Die dV/dI-Daten
werden zur Bestimmung des Elektrodenvorstands und der Lichtbogenlänge extrahiert.
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Wie
vorstehend erklärt,
sind viele Regelmechanismen möglich,
um den Ausgang der Stromquelle zu beeinflussen und die notwendigen
Daten zu messen, um dV/dI zu erhalten. Die meisten Hochgeschwindigkeits-Schweißstromversorgungen
basieren auf Leistungsschalteinrichtungen wie z.B. einem Abwärtswandler
oder einem Gleichspannungswandler. Schaltstörungen machen ein genaues Messen des
Schweißstroms
und der Spannung sehr schwierig, wenn nicht Spezialschaltkreise
verwendet werden, um das Abtasten von Störungen zu vermeiden. Das bevorzugte
Verfahren, um die dV/dI-Messung zu erreichen, wenn man eine Stromversorgung
mit Hochgeschwindigkeitsschaltung verwendet, ist die Ver wendung
eines eingebauten Hochgeschwindigkeitskontrollalgorithmus, der speziell
dafür ausgelegt ist,
die Pertubation zu regeln und die notwendigen Daten synchron zum
Schaltvorgang der Stromversorgung zu messen. Zu der Zeit, zu der
die dV/dI-Messung erforderlich ist, übergibt das Hauptstromversorgungssystem
die Regelung an den integrierten Algorithmus. Der eingebaute Algorithmus verändert den
Strom stufenweise in der vorgeschriebenen Abfolge und misst die
Daten zu präzisen
Zeitpunkten während
des Schaltvorgangs der Leistungshalbleiter in der Stromversorgung.
Sobald die Daten erhalten wurden, wird die Regelung an das Hauptschweißregelungssystem
zurückgegeben.
Das eingebaute Kontrollsystem wird umgesetzt durch einen digitalen
Signalprozessor, eine programmierbare Gatteranordnung oder einen
Mikroprozessor. Natürlich
stehen auch andere Maßnahmen
zur Verfügung, um
die Stromschwankung zu erzeugen und Daten zu sammeln, um die vorliegende
Erfindung auszuüben.
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Um
das dV/dI-Kontrollsignal als Echtzeitfunktion zu erhalten, werden
der Strom oder die Spannung mit einer Störung beaufschlagt und zu verschiedenen
Zeiten gemessen, um den Ableitungswert zu erhalten. Eine bessere
Auflösung
und Störsicherheit
erreicht man, indem man mehr als einen Schritt bei den Störungen macht.
Der dV/dI-Wert wird erzeugt, um ein Kontrollsignal zu erhalten,
das einen Durchschnittswert mehrerer dV/dI-Messungen nach Störungen ist.
Diese Vorgehensweise kann angewendet werden bei Schweißprozessen
mit einem Lichtbogen wie z.B. beim Sprühtransfer, Impulstransfer,
Kurzschlusstransfer (während
der Plasmaabschnitte des Zyklus), Gleichstrom- und Wechselstrommetallschweißen. Bei
jedem dieser Schweißprozesse
gibt es einen bestimmten Strom durch einen Lichtbogen, der gestört werden
kann, um die inkrementale Impedanz oder den Widerstand Rz zu erzeugen, um diesen zu verwenden, eine
vorbestimmte Lichtbogenlänge
oder andere Parameter des Schweißprozesses beizubehalten.
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Das
primäre
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und
ein System zur Erzeugung eines Kontrollsignals zur Verwendung in
einem Lichtbogenschweißprozess
anzugeben, welches Kontrollsignal aus der Ableitung der Spannung nach
dem Strom besteht. Das Kontrollsignal wird verwendet, um andere
Parameter zur Regelung des Schweißprozesses zu erhalten, insbesondere
um eine vorbestimmte Lichtbogenlänge
aufrecht zu erhalten.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
und ein System wie vorstehend definiert anzugeben, die verwendet
werden um auf genaue Weise eine Kontrollfunktion zur Aufrechterhaltung
der Lichtbogenlänge
oder anderer Parameter zu erhalten.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
und ein System der vorstehend definierten Art anzugeben, womit verschiedene
Parameter in einem elektrischen Lichtbogenschweißprozess zuverlässig gemessen
werden können.
Diese Parameter waren mit früheren
Steuerungen bzw. Regelungen nicht einfach erhältlich.
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Diese
und andere Ziele und Vorteile werden aus der nachfolgenden Beschreibung
zusammen mit den zugehörigen
Zeichnungen ersichtlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Seitenansicht einer Lichtbogen-Schweißoperation, die bestimmte Standardverhältnisse
darstellt;
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2 ist
ein kombiniertes Block- und Verdrahtungsdiagramm, wie es zur Durchführung der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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3 ist
ein Strom- und Spannungsgraph, der die durch die bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung nach 2 bewirkten
Störungen
des Stroms zeigt;
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4 ist
ein Flussdiagramm eines Softwareprogramms, das bei der Verarbeitung
der Spannungs- und Stromdaten verwendet wird, die mit der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung nach 2 und 3 erhalten
werden;
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5 bis 9 sind
mehrere Strom- und Spannungsgraphen, welche die Umsetzung der vorliegenden
Erfindung in verschiedenen Schweißprozessen darstellen;
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10 ist
ein Blockdiagramm eines alternativen Verfahrens, um das Basis-Kontrollsignal
dV/dI zu erhalten, das mit der vorliegenden Erfindung erzeugt wird;
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11 ist
ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform, um das Basis-Kontrollsignal
Rz zu erhalten, wie es bei Ausübung der
vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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11a ist ein Graph, der einen Teil der durch die
Ausführungsformen
nach 11 erhältlichen
Schwankungen darstellt;
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12 ist
ein Blockdiagramm eines Softwaresystems, um die Lichtbogenlänge unter
Verwendung des erfindungsgemäßen Signals
Rz ohne Eingriff einer Bedienungsperson
aufrecht zu erhalten;
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13 ist
ein Bockdiagramm eines Softwaresystems, um die Lichtbogenlänge unter
Verwendung des erfindungsgemäßen Signals
Rz. mit Eingriff einer Bedienungsperson
aufrecht zu erhalten; und
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14 ist
ein Blockdiagramm eines Softwaresystems, bei dem das System nach 12 durch
eine empirische Abwandlung vereinfacht ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen
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Wendet
man sich nun den Zeichnungen zu, in denen die Darstellungen lediglich
die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung illustrieren und diese nicht beschränken, zeigt 1 einen
elektrischen Lichtbogen-Schweißprozess 10,
worin eine Kontaktspitze 12 eine Öffnung 14 aufweist,
durch die eine stählerne
Elektrode E in Richtung auf ein Eisenwerkstück WP vorgeschoben wird. Bei
dem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel
bestehen die Schweißmetalle aus
Stahl; es wurden aber auch schon andere Metalle wie beispielsweise
Aluminium unter Verwendung der Erfindung geschweißt. Zwischen
dem Ende der Elektrode und dem Werkstück bildet ein elektrischer Lichtbogen
C aus. In der Praxis wird elektrische Energie von der Kontaktspitze 12 durch
die Elektrode E geleitet, um den Lichtbogen C zu erzeugen und das Ende
der Elektrode aufzuschmelzen und das Metall entweder durch Sprüh-, Kurzschluss-
oder Kugeltransfer zu übertragen.
Bei dem Schweißprozess wird
der Abstand zwischen der Spitze 12 und dem Werkstück WP als
CTWD bezeichnet, was dem Elektrodenvorstand ESO und der Lichtbogenlänge Larc entspricht. Die Schweißspannung
Va teilt sich auf in eine Spannung über die
Elektrode VESO und die Spannung über den
Lichtbogen C, der als Varc bezeichnet ist.
Diese Parameter sind Standard beim elektrischen Lichtbogenschweißen und
werden verwendet, um die vorliegende Erfindung zu erläutern. Bei
dem Schweißprozess
wird die Elektrode E durch Widerstandserwärmung (I2R)
mit dem Schweißstrom Ia gemäß 1 erhitzt.
Die Erwärmung
ist über
die Länge
ESO gleichförmig.
Die Erwärmung
der Elektrode unterscheidet sich maßgeblich von der vom Lichtbogen
C bewirkten IV-Erwärmung.
Die Erwärmung
durch den Lichtbogen beträgt
normalerweise 75-80% der gesamten Erwärmung des vom Ende der Elektrode
E aufgeschmolzenen Metalls. Das Schmelzen geschieht am Ende der
Elektrode, das dargestellt ist mit einer Grenzschicht 20.
Diese Grenzschicht isoliert die Elektrode E gegenüber der
von dem Lichtbogen C erzeugten Wärme.
Wie allgemein bekannt ist, vergrößert sich
bei Anstieg der Temperatur der spezifische Widerstand; der spezifische
Widerstand des Restes der Elektrode E bleibt aber im Wesentlichen konstant.
Die thermische Leitfähigkeit
und die spezifische Wärme
steigen gleichfalls beim Temperaturanstieg an. Demgemäß isoliert
die Grenzschicht 20 den Lichtbogen von der Elektrode. Die
Grenzschicht ist eine sehr dünne
Schicht, in der ein drastischer Wärmeanstieg erfolgt, um das
Metall aufzuschmelzen, während
die Elektrode E vorgeschoben wird. Die Schweißspannung Va wird
beeinflusst von einer Konstante A, die abhängt von der Austrittsarbeit
der Kathode oder des Werkstücks
WP und der üblichen
Anoden- oder Kathodenspannungen, die beide etwa 4,15 Volt betragen.
Beim Schweißen
von Stahl in der Praxis beträgt
die Konstante A etwa 12. Die Konstante A wird addiert zu einer Konstante
B, die abhängt von der
Art des eingesetzten Schutzgases, multipliziert mit der Lichtbogenlänge Larc. Dieses Verhältnis (A + BLarc)
wird aufsummiert mit dem Produkt des Schweißstroms mal dem Lichtbogenwiderstand
Rarc, um einen Wert zu ergeben, der die
Lichtbogenspannung repräsentiert.
Die Lichtbogenspannung ist die Schweißspannung Va und
VESO, d.h. das Produkt des Schweißstroms
Ia und des Widerstands Reso der
vorstehenden Elektrode. Da Reso klein ist,
ist Varc im Wesentlichen Va.
Aufgrund dieser mathematischen Verhältnisse kann die Länge des
Lichtbogens aufrecht erhalten werden, indem man Va,
Ia und den Lichtbogenwiderstand überwacht.
Die Erfindung wird verwendet, um einen Wert zu konstruieren oder
zu erzeugen, der im Wesentlichen indikativ für den Lichtbogenwiderstand
ist. Die mathematische Beziehung (Varc =
A + BLarc + IaRarc) wird angewandt, um die Verwendung des
Parameters oder einzigartigen Kontrollsignals, das gemäß der vorliegenden
Erfindung entwickelt wird, zu nutzen. Dieses Kontrollsignal ist als
abgeleiteter Parameter dV/dI gebildet, der als Inkrementalwiderstand
Rz bezeichnet wird. Der Inkrementalwiderstand
oder die Inkrementalimpedanz Rz bezieht
sich auf die Summe des Lichtbogenwiderstands Rarc plus
dem geringen Elektrodenwiderstand RESO;
allerdings ist es nicht der Lastwiderstand, der durch Teilen der
Schweißspannung
durch den Schweißstrom
bestimmt würde.
Die Spannung Varc ist nicht direkt messbar.
Hingegen ist die Spannung Va messbar und
ist gleich der Summe von Varc plus den Strom
Ia multipliziert mit RESO.
Va = Varc + IaRESO. Demzufolge
mittels algebraischer Substitution, Va =
A + BLarc + Ia [Rarc + RESO].
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Um
das neue Signal dV/dI zu erzeugen, das in der Praxis ein digitaler
Wert ist, werden diverse Softwareschaltkreise verwendet. Nach der
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der in 2 dargestellte
Softwareschaltkreis verwendet, um die in 3 dargestellten
Stromstörungen
zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform
erzeugt das Schweißgerät 30 eine
Schweißspannung
Va über
die Elektrode E und das Werkstück
WP. Tatsächlich
wird die Schweißspannung über die
Spitze 12 und das Werkstück WP gemäß 1 angelegt.
Um diese Spannung und folglich den Schweißstrom Ia zu
erzeugen, ist eine Stromversorgung 40 mit Ausgangsleitungen 42, 44 vorgesehen,
die an der Elektrode E und dem Werkstück WP angeschlossen sind. Der
Eingang der Stromversorgung ist ein Gleichrichter 50, der
an eine 3-Phaseneingangsleitung 52 angeschlossen ist. Die Stromversorgung
ist ein Hochfrequenz-Schaltinverter, bei dem die Wellenform des
Schweizstroms bestimmt wird durch das Signal in der Ausgangsleitung 62 des
Pulsbreitenmodulators 60. Der Modulator hat einen Eingang 64 mit
einem Spannungsniveau oder -signal, dass vom Wellenform-Schaltkreis 70 unter Einfluss
eines Fehlerverstärkers 72 mit
einem Ausgang 72a und Eingängen 72b, 72c gesteuert
wird. Der Eingang 72b ist das Kommando-Stromsignal Ia. Der
Eingang 72c ist der durch die Elektrode E und das Werkstück WP während des
Schweißvorgangs fließende Schweißstrom Ia. Um die momentane oder Echtzeit-Schweißspannung
zu messen, ist ein Sensor 80 mit Eingangsleitungen 82, 84 vorgesehen,
die parallel über
die Leitungen 42, 44 in üblicher Weise angeschlossen
sind. In entsprechender Weise ermittelt ein Sensor 90 den
Schweißstrom
Ia an einem Nebenschlusskreis 92 (shunt) über Leitungen 94, 96. Soweit
bislang beschrieben, arbeitet das Schweißgerät 30 in Übereinstimmung
mit herkömmlichen Schweißgepflogenheiten
und kann verwendet werden zum Sprühschweißen, Kurzschlussschweißen, Tröpfchenschweißen, Gleichstromschweißen oder Wechselstromschweißen. Die
Erfindung besteht in der Entwicklung eines neuen Kontrollsignals,
dass die Ableitung der Schweißspannung
Va nach dem Schweißstrom Ia ist.
Die Schweißströme und die
resultierende Schweißspannung
sind in 3 dargestellt. Das bevorzugte
System zum Erhalt des Ableitungssignals nach der bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist in 2 gezeigt.
Ein erzwungenes Schwankungsmuster 100 bewirkt ein zugehöriges Spannungsmuster 100a.
Das Muster 100 sieht einen Anstieg des Schweißstroms
Ia von einem geregelten Niveau 110 entsprechend
dem Spannungsniveau 110a zur Zeit T1 auf ein neues Niveau 112 vor,
das dem Spannungsniveau 112a entspricht. Dieses neue Niveau
beträgt
weniger als 10% des Stroms 110 und liegt vorzugsweise weniger
als 5% über
dem Niveau 110. Der Wert des Ableitungssignals dV/dI ist
erhältlich
aus dieser Schwankung, indem man die Spannung Va und
den Strom Ia an der Stelle 1 vor der Zeit
T1 bestimmt, wie dies durch die eingeschriebene Markierung 110b angedeutet
ist, und die Spannung und den Strom an der Stelle 2 vor der Zeit
T2, wie angedeutet durch die eingetragene Markierung 112b.
Diese beiden Spannungen und Ströme
werden jeweils voneinander abgezogen und dann wird die Spannungsdif ferenz
geteilt durch die Stromdifferenz. Die Messung auf dem Niveau 112 an dem
Messpunkt 2 wird nach einer Zeitverzögerung durchgeführt, die
eingetragen ist als 100 Mikrosekunden zwischen der Zeit T1 und der
Markierung 112b. Dies gestattet es, dass sich die durch
die induktive Reaktanz bewirkte Spannung abbauen kann, bevor die
Werte für
die Spannung und den Strom an den Messpunkten 1 und 2 genommen werden.
Zum Zeitpunkt T2 wird der Schweißstrom auf das Niveau 114 abgesenkt,
das generell niedriger als das Niveau 110 liegt und zwar
in derselben Größenordnung
wie beim Stromanstieg zum Zeitpunkt T1. Das niedrigere Niveau 114 korrespondiert
mit der Spannung 114a wie in 3 gezeigt.
Kurz vor dem Zeitpunkt T3 wird am Messpunkt 3 eine dritte Messung
von Spannung und Strom durchgeführt,
wie dies durch die Markierung 114b angedeutet ist. Anschließend wird
der Strom wieder auf ein Niveau 116 angehoben, das dem
des ursprünglichen
Niveaus 110 entspricht. Nach einer Wartezeit wird zum Messpunkt
4 eine vierte Messung durchgeführt,
ebenfalls nach einer Verzögerung
von etwa 100 Mikrosekunden. Durch Messung des Differenzials zwischen
den Punkten 1 und 2, des Differenzials zwischen den Punkten 2 und
3 und des Differenzials zwischen den Punkten 3 und 4 erhält man drei separate
Werte desselben Kontrollsignals. Diese drei Werte werden aufgezeichnet,
addiert und durch drei dividiert, um einen endgültigen Ableitungsparameter oder
ein Ableitungssignal zu erhalten, das dV/dI entspricht. Dieser neue
Parameter oder dieses Signal ist ein einzigartiges Kontrollsignal,
das durch Verwendung der vorliegenden Erfindung erhalten wird. Nachdem
eine beliebige Zeit verstrichen ist, wird ein neues Schwankungsmuster 100 aufgeprägt, um eine erneute
Bestimmung des Parameters oder Signals dV/dI zu ermöglichen.
Die Muster 100 werden regelmäßig und in Echtzeit wiederholt,
um Ableitungswerte oder Signale zu erzeugen, um den Schweißprozess
zu regeln.
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Wendet
man sich nunmehr wieder 2 zu, ist ersichtlich, dass
das Muster 100 bewirkt wird durch Übersteuerung des Pulsweitenmodulators 60 durch
einen Signalgenerator 120, der dieses Muster erzeugt, wenn
er hierzu über
ein Spannungssignal auf der Leitung 122 freigegeben wird.
Dieses Signal wird als zweiter Eingang zu dem Pulsweitenmodulator 16 über die
Leitung 124 verwendet. Jedes Mal, wenn der Signalgenerator 120 angeregt
wird, wird das Schwankungsmuster 100 vom Pulsbreitenmodulator
ausgeführt.
Um den Signalgenerator zu aktivieren, ist ein Oszillator 130 vorgesehen,
der einen aufaddierenden Zähler 132 beaufschlagt,
um eine monostabile Schaltung 134 periodisch zu betätigen. Der Oszillator
und der Zähler
sind programmiert, so dass Muster 100 regelmäßig alle
paar Sekunden wiederholt werden. Auf Leitung 122 wird somit
ein Signal erzeugt (10 Millisekunden), um das Schwankungsmuster 100 im
Strom Ia zu wiederholen. An den Stellen
1, 2, 3 und 4 erscheint auf Leitung 150 ein Signal, das bewirkt,
dass die Schweißspannung
Va vom Block 152 und der Schweißstrom Ia vom Block 154 gelesen werden.
Diese beiden Werte werden dann geteilt, um den Differenzialquotienten
zu erzeugen, wie dies durch Block 160 angedeutet ist. Jede
Differenzialmessung wird wie durch Block 162 angedeutet
gespeichert, so dass die Ableitungen gemittelt werden können, wie
dies durch Block 164 angezeigt ist, um das Kontrollsignal
Rz zu bilden. Bei dem Muster 100 werden
drei Ablesungen vorgenommen. Diese drei Ablesungen werden gespeichert
und dann gemittelt, um das Ableitungssignal dV/dI zu erzeugen, welches das
Kontrollsignal Rz gemäß 2 darstellt.
Dieses Signal ist im Wesentlichen dasselbe wie ein Signal, das lediglich
aus einer dV/dI-Berechnung erhalten wird.
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Das
Softwareprogramm zum Mitteln diverser Kontrollsignale oder Inkrementalwiderstände Rz ist schematisch in 4 zur Verarbeitung
von Daten dargestellt, die von dem in 2 gezeigten
System erzeugt werden, um das Schwankungsmuster 100 gemäß 3 zu
produzieren. Bei diesem Programm liest ein Mikroprozessor oder eine
andere Regelungseinrichtung die Schweißspannung und den Schweißstrom am
Messpunkt 1 wie durch Block 200 angedeutet. Diese Daten
werden gemäß Block 202 gespeichert.
Anschließend
werden entsprechend Block 204 die Schweißspannung
und der Strom am Messpunkt 2 gelesen und gespeichert, vgl. Block 206.
In entsprechender Weise werden die Spannung und der Strom zum Messpunkt
3 gelesen, wie bei Block 208 illustriert, und gespeichert,
wie bei Block 210 angedeutet. Die abschließende Schwankungsablesung
am Messpunkt 4 für
Spannung und Strom werden gemäß Block 212 gelesen
und in Block 214 gespeichert. Dann führt der Algorithmus des Programms
die in 220 festgelegte Funktion aus, wobei eine digitale
Zahl errechnet wird, die der ersten Ableitung dV/dI entspricht.
Diese Zahl oder der Wert, falls analog, ist ein einzigartiges Kontrollsignal.
Die Ableitungsberechnung wird danach noch zweimal wiederholt. Der
Wert (digital oder analog) dieser Ableitungsberechnungen, die alle
im Wesentlichen dieselben sein sollten, werden addiert, wie dies
durch Block 220 angedeutet ist. Der Gesamtbetrag wird dann
durch drei dividiert, angedeutet durch Block 222, um einen Durchschnittswerk
dV/dI oder Rz an Leitung 224 zu erzeugen.
Dies ist das Kontrollsignal, das ein Mittelwert der drei zuvor gemessenen
Kontrollsignale zur Verwendung beim Regeln des Schweißgerätes 30 oder
eines anderen Schweißgerätes darstellt.
Da das Schwankungsmuster 100 bei der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung verwendet wird, erfordert der Mittelungsprozess die
Bestimmung von drei Kontrollsignalen Rz.
Natürlich
kann auch jede beliebige Anzahl von Kontrollsignalen aufsummiert
und dann gemittelt werden.
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Die
Erzeugung des einzigartigen Kontrollsignals Rz ist
möglich
bei allen Schweißverfahren,
die eine sich verbrauchende Elektrode und einen Lichtbogen zu Zeiten
während
des Schweißzyklus
verwenden. Bei solchen Verfahren gibt es einen Elektrodenvorstand
und einen Lichtbogen zum Aufschmelzen des Endes der Elektrode, um
das geschmolzene Metall auf dem Werkstück abzulegen. Die geringfügigen Stromänderungen
während
des Schwankungsmusters 100 treten während so kurzer Zeiten auf, dass
dies das Schmelzen der Elektrode nicht beeinflusst. Die universelle
Anwendbarkeit des Echtzeitkontrollsignals Rz ist
in den 5 bis 9 dargestellt. Beispielsweise
wird bei einem Sprühschweißverfahren
mit dem Strom und der Spannung gemäß 5 ein Schwankungsmuster 230 wiederholt
dem Schweißstrom
aufgeprägt.
Dieses Muster bewirkt ein zugehöriges
Antwortmuster 230a bei der Schweißspannung. Die Ableitung der
Spannung nach dem Strom steht dann zur Verfügung, um ein Kontrollsignal
oder einen Inkrementalwiderstand Rz zu erzeugen.
In entsprechender Weise gibt es bei einem Pulsschweißverfahren
einen Hintergrundstrom und einen Spitzen- oder Impulsstrom, wie
in 6 dargestellt. Dies bewirkt eine ähnliche
Spannungskurve, wie sie in dem unteren Graphen gezeigt ist. Während des Hintergrundstroms
gibt es keine nennenswerte Übertragung
der Elektrode an das Werkstück;
jedoch wird das Schwankungsmuster 240 und das korrespondierende
Antwortmuster 240a erzeugt: Dieses vorgegebenen Schwankungsmuster
erlaubt die Bildung eines Ableitungswertes oder eines Signals dV/dI.
Bedeutsamer ist, dass während
des Spitzenimpulsstroms ein Schwankungsmuster 242 mit zugehörigem Antwortmuster 242a bei
der Spannung erzeugt wird. Zusätzlich
wird ein Inkrementalwiderstandswert Rz für den Spitzenstrom
erhalten. Dieser kann verwendet werden, um die Lichtbogenlänge aufrecht
zu erhalten. Wendet man sich nunmehr 7 zu, so
ist dort ein Kurzschlussschweißstrom
und eine Spannung dargestellt. Während
des Lichtbogen- oder Plasmateils des Zyklus wird ein Schwankungsmuster 250 dem
Schweißstrom
aufgeprägt.
Dies führt
zu einem korrespondierenden Antwortmuster 250a bei der Spannung.
Während
der Kurzschlussphase 252 des Schweißzyklus findet eine derartige
Messung nicht statt, da währenddessen
kein Lichtbogen besteht. Der STT (Surface Tension Transfer)-Schweißzyklus, der
von The Lincoln Electric Company in Cleveland, Ohio entwickelt wurde,
kann gleichfalls die vorliegende Erfindung während der Phasen des Hintergrundstroms
und der Plasmaverstärkung
verwenden. Zu diesen Zeiten wird der Strom konstant gehalten. Während der
Kurzschlussphase beim STT-Zyklus kann dem Strom allerdings keine
Schwankung aufgeprägt
werden, da er nicht konstant gehalten wird. Es ist ersichtlich,
dass die Erfindung bei Schweißverfahren
aller Arten verwendbar ist, bei denen ein Lichtbogen auftritt und
der Strom konstant gehalten wird und Schwankungen unterworfen werden
kann. Dies ist in 8 näher dargestellt, die einen
Schweißzyklus
mit konstantem Strom oder konstanter Spannung darstellt, wobei ein
Stromschwankungsmuster 260 ein korrespondierendes Spannungsantwortmuster 260a erzeugt.
Die Kurven konstanten Stroms sind ähnlich wie bei der Darstellung
für das
Sprühschweißen gemäß 5.
Bei einem Wechselstrom-Schweißprozess
wird der Strom im Allgemeinen konstant gehalten, aber in wechselnden
Polaritäten
gemäß 9.
Während
der Phase positiver Polarität
wird ein Schwankungsmuster 270 im Strom erzeugt, was zu
einem korrespondierenden Antwortmuster 270a bei der Spannung
führt.
Während
der Phase negativer Polarität
wird ein Schwankungsmuster 272 dem Strom aufgeprägt mit dem
Ergebnis einer Spannungsantwort 272a. Strom und Spannungen
für verschiedene
geläufige
Schweißverfahren, wie
sie in den 5 bis 9 dargestellt
sind, werden hier angegeben, um die universelle Anwendbarkeit des
einzigartigen Kon trollsignals oder des Inkrementalwiderstands Rz zu zeigen. Natürlich können auch andere elektrische
Lichtbogenschweißverfahren
mit konstantem Strom während
eines Teils des Zyklus die vorliegende Erfindung verwenden, bei
denen die Elektrode verbraucht wird und einen Widerstand am Lichtbogen
C hat, der generell vergleichsweise hoch verglichen mit dem Elektrodenwiderstand ist.
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Im
praktischen Einsatz der Erfindung wird die Ableitung der Spannung
und des Stroms als Kontrollsignal erhalten. Verschiedene Systeme
können
verwendet werden, um das Ableitungssignal zu erhalten. 2 zeigt
ein System, während
die 10 und 11 andere
Systeme darstellen, um die Ableitung zu erhalten. In 10 beinhaltet
die Stromversorgung 40 einen Funktionsgenerator 400,
der über
die Ausgangsleitungen 42, 44 geschaltet ist. Der
Funktionsgenerator erzeugt eine Schwankung des am Ausgang der Stromversorgung
anliegenden Stroms und ist getaktet, um die spezifische, zur Erzeugung
diverser spezifischer Messpunkte gewünschte Schwankung zu erzeugen.
Ein Oszillator 402 beaufschlagt einen Zähler 404. Der Ausgang
des Zählers
auf Leitung 406 gibt die Momente an, zu denen Spannungs- und
Stromwerte von den Sensoren 80, 90 gelesen und
im Block 410 gespeichert werden. Diese Werte werden dann
wie in 4 dargestellt durch Block 222 gemittelt,
um das Kontrollsignal Rz auf Leitung 224 zur
Verfügung
zu stellen. In ähnlicher
Weise wird gemäß 11 ein
Zähler 420 von
einem Oszillator 420a beaufschlagt, um eine Reihe von Signalen
auf Leitung 422 auszugeben, die eine Ansteuerung 424 eines
Schalters 450 steuern. Dies führt regelmäßig zu einer Abzweigung eines
Teils des Lichtbogenstroms Ia vom Lichtbogen
durch den Widerstand 452. Dieses Schwankungsmuster hat
lediglich zwei Stromniveaus. Es ist in 11a als
vergrößerte Kurve
rechts von 11 dargestellt. Wenn der Schalter 450 leitend
ist, wird Strom von dem Prozessschweißstrom abgenommen, um diesen
auf ein niedrigeres Niveau 460 zu bringen. Die Spannung
und der Strom werden von Block 410 an den Messpunkten 1
und 2 festgestellt. Dies ist das Kontrollsignal dV/dI. Mehrere dieser
Signale können
in Serie erhalten werden und werden gemittelt, wie dies bei Block 470 andeutet
ist, um das Kontrollsignal Rz auf Leitung 472 zu
erzeugen. Weitere Anordnungen könnten
verwendet werden, um das Kontrollsignal dV/dI digital zu bestimmen,
welches Signal als Inkrementalwiderstand Rz bezeichnet
wird. Dieses Signal bezieht sich auf den Widerstand im Lichtbogen.
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Verschiedene
Systeme und Software-Architekturen können eingesetzt werden, um
das Kontrollsignal Rz zu erhalten. Dieses
Kontrollsignal kann mit verschiedenen anderen Parametern manipuliert
werden, um Kontroll- oder Stellsignale für den betreffenden Schweißprozess
zu erhalten. Die Echtzeiterzeugung des Ableitungskontrollsignals
ist einzigartig beim Schweißen
und wird für
viele Zwecke verwendet, von denen einige in dieser Anmeldung angegeben
sind, um den großen
Vorteil zu erläutern,
der im Erhalt von dV/dI für
ein Schweißverfahren
liegt. Die Verwendung des einzigartigen Kontrollsignals ist hier nicht
abschließend
beschrieben. Andere Verwendungen des einzigartigen Kontrollsignals
liegen im Ermessen des Fachmanns. Die Erfindung wird bei einem Kontrollsystem
verwendet, das eine mathematisch erzeugte Architektur zugrunde legt,
oder bei einem System, das durch empirische Modifikationen vereinfacht
ist.
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12 stellt
ein derzeit verwendetes Kontrollsystem dar, in dem die vorliegende
Erfindung für eine
konstante Lichtbogenlänge
sorgt. Die Regelung der Lichtbogenlänge Larc wird
möglich
durch Erhalt einer Anzahl von Werten für das Kontrollsignal Rz oder dV/dI. Die Schweißspannung Va ist
gleich der Elektrodenspannung VESO plus
der Lichtbogenspannung Varc, die gleich
ist der Summe von (a) der ersten Konstante A (8-20), (b) der zweiten
Konstante B (10-35) multipliziert mit der Lichtbogenlänge Larc und (c) des Schweißstroms Ia mal
Rarc, des Widerstandes. Indem man die Lichtbogenlänge konstant
hält, verändert sich
der Lichtbogenwiderstand nicht und die Summe der Widerstände [RESO + Rarc] bleibt
bei einem Lichtbogenlängenregelungssystem
konstant, da die Lichtbogenlänge
auf einen eingestellten Wert eingestellt bleibt. Wie oben angedeutet,
ist die Lichtbogenspannung Va gleich VESO + Varc. Varc ist gleich A + B Larc +
Ia Rarc. Daraus
folgt, Va = A + BLarc +
IaRarc + VESO oder Va = A +
BLarc + Ia [Rarc + RESO]. Tatsächlich variiert dV/dI
im Allgemeinen direkt mit [Rarc + RESO]. Demgemäß verändert sich Va mit
dV/dI. Zu Zwecken der Regelung ist Va demgemäß gleich
A + BLarc + Ia dV/dI. Dieses
Verhältnis
ist die Kontroll- oder Regelungsgleichung, die verwendet wird, um
die Lichtbogenlänge
durch das System 400 unter Verwendung der Erfindung aufrechtzuerhalten,
wie dies in 12 gezeigt ist. Die Schweißspannung
Va wird vom Filter 502 gefiltert
und mit dem erfindungsgemäßen Kontrollsignal
dV/dI am Multiplikatorblock 504 multipliziert. Dies erzeugt
ein Signalniveau zur Bestätigung von
Ia dV/dI. Das Signalniveau im Digitalformat
wird von der vom Filter 506 gefilterten, zurückgeführten Schweißspannung
Va an dem Addierglied 508 abgezogen.
Der Wert Va – Ia.
dV/dI wird am Addierglied oder einem Fehlerverstärker 5010 mit einem Niveau oder
einer Anzahl verglichen, die mit der tatsächlichen Lichtbogenlänge Larc variiert. Dieses kontrollierte Lichtbogenlängenniveau
ist A + B Larc, wobei die tatsächliche
Länge Larc mit der zweiten Konstante B (8-20) beim
Block 520 multipliziert und zur ersten Konstante A (10-35)
am Block 522 addiert wird. Das Fehlersignal oder Niveau
auf Leitung 530 steuert einen herkömmlichen Pulsweitenmodulator 540,
um die Lichtbogenlänge
Larc aufrechtzuerhalten. Das System 500 ist
ein Kontrollsystem, wie es heutzutage in der Praxis verwendet wird,
um das neue Kontrollsignal Rz oder dV/dI
zum Erhalten einer konstanten Lichtbogenlänge einzusetzen.
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Das
Kontrollsystem 500 gemäß 12 wird die
Lichtbogenlänge,
also den Abstand der Elektrode E vom Werkstück WP konstant halten. Dies
ist der Hauptzweck der vorliegenden Erfindung. Wenn jedoch die Drahtzuführgeschwindigkeit
WFS ansteigt, muss auch der Strom Ia ansteigen,
um diesen Abstand beizubehalten. Ein höherer Strom bewirkt eine größere Eindringtiefe
des Lichtbogens in das Schweißbad
am Werkstück.
Demgemäß ist die
Lichtbogenlänge
größer als
der beibehaltene Abstand und die Elektrode muss weiter vorstehen,
um dies zu kompensieren. Um derartige Abweichungen zu kompensieren,
kann es dem Bediener gestattet werden, einen Korrekturwert K1 aufzuschalten, wie dies in 13 dargestellt
ist. Das System 500' stimmt
mit dem System 500 mit Ausnahme eines Multiplikatorblocks überein,
der ein vom Bediener einstellbaren Korrekturwert K1 berücksichtigt.
Der Korrekturwert K1 ist eine Variable zwischen
0,0 und 2,0. Normalerweise stellt der Bediener den Korrekturwert
K1 auf etwa 0,2 bis 0,3 ein. Für ein Schweißverfahren
mit konstanter Spannung ist der Korrekturwert im Allgemeinen 0,0.
Wenn die Lichtbogenlänge
vollständig
gere gelt wird, liegt der Korrekturwert auf einem hohen Niveau, zum
Beispiel bei 1,0 bis 2,0. In der Praxis ist der Korrekturwert etwa
0,3.
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Eine
einfache Alternative zu den ausgefeilten Systemen 500 und 500' nach 12 und 13 wird
durch ein Softwaresteuersystem 600 gemäß 14 geschaffen.
Die Steuerfunktion K1Ia dV/dI,
die von den Blöcken 502 und 504 in 12 und
den Blöcken 502' und 504' gemäß 13 erzeugt
wird, kann vereinfacht werden, um die Verwendung des Schweißstroms
Ia zu vermeiden. Es würde empirisch festgestellt,
dass Ia dV/dI gleich ist mit K3 dV/dI
+ K4. Die Konstanten K3 und
K4 werden empirisch ermittelt. Das System 600 weist
Komponenten zur Aufrechterhaltung der Lichtbogenlänge auf,
die wie entsprechende Komponenten im System 500 nummeriert sind.
Die Elemente 502 und 504 sind ersetzt durch die
Blöcke 602 zur
Multiplikation von K3 und dV/dI und 604 zur
Addition von K4. Die Lichtbogenlänge wird
gleichgehalten. In der praktischen Umsetzung wird die Drahtvorschubgeschwindigkeit
auf Leitung 610 mit der Lichtbogenlänge eingestellt. Ein Wert der Drahtvorschubgeschwindigkeit
auf Leitung 610 zur Nachschlagtabelle 620 wird
verwendet, um die Konstanten K3 und K4 für
eine spezielle Drahtgeschwindigkeit empirisch zu erhalten. Das Softwaresystem steuert
bzw. regelt die Lichtbogenlänge
unter Verwendung des neuen Signals dV/dI. Es ist ersichtlich, dass
andere Abwandlungen und Kontrollsysteme mathematisch oder empirisch
entwickelt werden können,
um das neue Kontrollsignal dV/dI insbesondere zum Aufrechterhalten
einer konstanten Lichtbogenlänge
zu verwenden.