EP2340140A1 - Verfahren zum regeln eines energieeintrags eines pulslichtbogenplasmas bei einem fügeprozess und vorrichtung - Google Patents

Verfahren zum regeln eines energieeintrags eines pulslichtbogenplasmas bei einem fügeprozess und vorrichtung

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EP2340140A1
EP2340140A1 EP09744594A EP09744594A EP2340140A1 EP 2340140 A1 EP2340140 A1 EP 2340140A1 EP 09744594 A EP09744594 A EP 09744594A EP 09744594 A EP09744594 A EP 09744594A EP 2340140 A1 EP2340140 A1 EP 2340140A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signals
measurement signals
arc plasma
photodiode
joining process
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09744594A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerd Heinz
Heinz SCHÖPP
Frank Hofmann
Gregor GÖTT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ipal GmbH
Technische Universitaet Berlin
Original Assignee
Ipal GmbH
Technische Universitaet Berlin
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ipal GmbH, Technische Universitaet Berlin filed Critical Ipal GmbH
Publication of EP2340140A1 publication Critical patent/EP2340140A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/095—Monitoring or automatic control of welding parameters
    • B23K9/0956—Monitoring or automatic control of welding parameters using sensing means, e.g. optical
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/10—Other electric circuits therefor; Protective circuits; Remote controls
    • B23K9/1006—Power supply
    • B23K9/1043—Power supply characterised by the electric circuit
    • B23K9/1056—Power supply characterised by the electric circuit by using digital means
    • B23K9/1062—Power supply characterised by the electric circuit by using digital means with computing means

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating an energy input of a pulsed arc plasma during a joining process, and to a device.
  • XXVI, No.1 / 35 introduces calculation bases to get from the spectrum as well as optical information to parameters such as arc length or temperature. For 40 amps (-1 ... 2 kW), temperatures up to 10,000 Kelvin are calculated. However, the method is not suitable for real-time control.
  • a line spectrometric variant is described in the document DE 10 2004 015 553 A1. The idea is to use spectral decomposition of the plasma light to control the energy input of a welding process.
  • a line spectrometer is to provide control information that controls the welder.
  • a similar proposal is made in a paper by Mirapeix et al .: "Embedded spectroscopic via sensor for on-line arc-welding analysis” Applied Optics, Vol 46, Issue 16, June 2007, pp. 3215-3220 Fiber optic cable embedded in the inert gas tube, and it is obtained a very efficient way to transmit the light of the arc without interfering with the burner head to a spectrometer.
  • a problem of the known methods are the extremely high temperature changes. If an instantaneous power of about ten kilowatts is introduced into a cubic-millimeter-sized plasma, then temperature changes of several million Kelvin per second result. If a controller is to switch off the welding pulse in real time, only a few microseconds are available. As a software implementation, only controllers with delays in the millisecond range are known. Since the welding power source can not be moved at any can be made, it is necessary to minimize the delay of the spectral control as much as possible.
  • Noise and spectral bandwidth are thus closely related: the lower the bandwidth and sensor area, the higher the noise. Or conversely, the higher the bandwidth and size of the photosensors, the lower the noise in a limiting time interval.
  • thermography bolometry or pyrometry
  • a spectral controller for welding machines, however, many variations must be taken into account: For example, such a controller would display different values in the case of distance fluctuations or contamination. So in the approach rather a difference principle is recommended.
  • the object of the invention is to provide a method for controlling an energy input of a Mé- arc plasma in a joining process and a device with which in real time as time-efficient control of the energy input is possible. It should be possible to use both for the simplest sources of energy for welding or soldering equipment as well as for commercially available devices with an internal timer. In addition, the device should support a design with the least possible space and in a handy form. This object is achieved by a method for controlling an energy input of a Pulslichtbogenplasmas in a joining process according to independent claim 1 and a device according to independent claim 13. Advantageous embodiments of the invention are the subject of dependent subclaims.
  • the invention encompasses the idea of a method for regulating an energy input of a pulsed arc plasma in a joining process, in particular in a welding or soldering process, wherein the method comprises the following steps: acquiring first measurement signals for a first time course of emission light from an arc plasma of the joining process a first spectral range, detection of second measurement signals for a second time profile of the emission light from the arc plasma of the joining process in a second spectral range, which is at least partially different from the first spectral range, generating control signals by the first measurement signals and in an evaluation comparing the second measurement signals and controlling a power source configured to provide pulsed power for the arc plasma according to the control signals.
  • the first measurement signals are detected with a first photodiode having a sensitivity maximum at a first wavelength
  • the second measurement signals with a second photodiode having a sensitivity maximum at a second wavelength which is different from the first wavelength is.
  • separate detector devices are used.
  • the detection of the measurement signals by means of photodiodes has the advantage that inexpensive and available in various designs components are used with which optical signals can be detected with a spectral width.
  • the use of the photodiodes supports a real-time control, as fast response times are feasible.
  • the invention encompasses the idea of a device for regulating an energy input of a pulsed arc plasma in a joining process, in particular in a welding or soldering process, with a measuring device that is configured, first measurement signals for a first time course of emission light from an arc plasma of the joining process in one first spectral region having a first photodiode, which has a sensitivity maximum at a first wavelength, and second measurement signals for a second time profile of the emission light from the arc plasma of the joining process in a second spectral region which is at least partially different from the first spectral region, with a second photodiode having a sensitivity maximum at a second wavelength different from the first wavelength, and an evaluation device configured To generate control signals by comparing the first measurement signals and the second measurement signals, and to provide the control signals for controlling a power source for pulsed energy for the arc plasma.
  • the possibility for a real-time control of the energy input of Pulslichtbogenplasmas is made possible in the joining process, in which the commonly used current pulse can be switched off or on in no time. This is preferably done in the time domain of a few microseconds. When reaching a certain temperature or a certain metal vapor concentration in the pulsed arc plasma can be reacted in no time.
  • the comparison of the first and the second measurement signals in the evaluation device for generating the control signals may include the inclusion of one or more threshold values, upon reaching or not reaching certain control signals are generated.
  • threshold values can be pre-set by the user and adapted to the respective application.
  • the first and second spectral ranges may partially overlap. Alternatively it can be provided that there is no overlap between the first and the second spectral range.
  • the spectral regions can be, for example, sections in the ultraviolet range and in the infrared range.
  • the invention uses the knowledge that the time response is not necessarily bound to defined optical line groups.
  • a statistical analysis of a possible execution showed that the divergence of point clouds is the higher the farther the average maxima of photodiodes around a central point are at about 600 nm apart.
  • a photodiode pair blue / red exhibits a lower divergence of the point clouds than a pair of ultraviolet / infrared (UV / IR).
  • UV / IR ultraviolet / infrared
  • optical filters can be used to spectrally filter the measuring light.
  • the regulation of the energy source comprises a regulation of the temperature of the arc plasma.
  • a temperature of the arc plasma is determined from the first and the second measurement signals, which can then be optionally compared with a predetermined temperature threshold for the joining process, to generate starting from the comparison, the control signals, which serve so far a temperature control of the arc plasma during the joining process.
  • a rising signal curve is measured for the first measuring signals and a falling signal curve for the second measuring signals.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that at least the first measurement signals or at least the second measurement signals are converted to a respective comparison measurement signal level before the generation of control signals.
  • the measurement signals are converted to a respective comparison measurement signal level, attenuation and / or amplification of the signal level can take place.
  • the first and the second measurement signals can be brought to a similar or the same signal level in particular.
  • a development of the invention provides that when comparing the first and the second measurement signals, a difference between the first and the second measurement signals is performed. Difference values determined during the subtraction can be compared with one or more threshold values, so that the control signal generation takes place as a function of the comparison between difference values and threshold values.
  • control signals are generated a shutdown signal for the power source comprising.
  • a pulse extension signal is generated by means of a holding member for the shutdown signal when the energy source specifies a pulse start.
  • control signals are generated in a comprehensive manner for a connection signal for the energy source.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the control signals counter-regulating signals for the energy source are generated comprehensively, with which a current level of the e- nergie provoke is switched off against against.
  • control signals are filtered by means of a low-pass filter.
  • the low-pass filter may be, for example, an adjustable digital filter.
  • a development of the invention provides that in at least one further spectral range, which is at least partially different from both the first and the second spectral range, further measurement signals for a further temporal course of the emission light from the arc plasma of the joining process detected and for generating the control signals are used. In this way, another spectral range can be evaluated. For measured value detection, a further photodiode is preferably used.
  • a development of the invention can provide that at least the first measurement signals for a first spectral range comprising several spectral lines of the emission light or at least the second measurement signals for a second spectral range comprising a plurality of spectral lines of the emission light are detected.
  • the comments made above in connection with the same embodiments of the method for regulating the energy input apply correspondingly.
  • the first and the second photodiode are arranged on a burner head. In this case, an arrangement on the outside or the inside of the burner head is possible.
  • the coupling of light signals via a light guide cable for example in the form of a glass fiber cable, which leads the light to the optical detectors, which can then be arranged separately from the burner head, for example in a welding machine.
  • the first and the second photodiode can be arranged interchangeably on a preamplifier plate by means of a plug connection.
  • the first and the second photodiode as well as a preamplifier device and a measuring signal conditioning device are combined in a structural unit to form a spectral controller.
  • the first and the second photodiode are coupled to an analog-to-digital converter, so that the measurement signals can be converted into analog signals.
  • the method for controlling the energy input can be carried out in an embodiment with two photodiodes whose sensitivity maxima are at different wavelengths Ll and L2, with the two photodiodes two mutually opposite time function or waveforms for spectral measurement signals Fl * and F2 * are observed ,
  • this is a first maximum on the wavelength Ll in the spectral range, in which emit predominantly to be welded metals.
  • a second maximum L2 is in the range of a protective gas used (for example, argon or helium) and / or an active gas such as CO 2 -
  • the maximum Ll with the time function Fl * is preferably in the ultraviolet range (UV)
  • the maximum L2 with the time function F2 * is in the range of the infrared (IR), for example.
  • a differential form is selected.
  • This difference signal F3 increases steeply at the beginning of the pulse, after which it slowly drops to the minimum.
  • the switch-off threshold in both forms is preferably determined by the relation of the set and calibrated gains G1 and G2.
  • the variants favor certain applications.
  • the quotient form is suitable for estimating the plasma temperature analytically via a temperature function T (F2, Fl).
  • the difference form is particularly suitable for the method described here as a fast controller.
  • the difference signal F3 F2-Fl in one embodiment in the level before a switching signal is derived.
  • the background is the possibility of extending the quotient form in numerator and denominator with an equal factor k, without changing the switching threshold.
  • the amplitude of the difference signal F3 is set with an automatic gain control AGC to a defined voltage value. It is thereby ensured that small spacing fluctuations or soiling have no influence on a non-negligible threshold value S required in the comparator.
  • the point of passage of F3 can now be characterized by a threshold value S which is slightly below zero and now a defined switching threshold at which the temperature or metal vapor concentration in the plasma has reached a critical value.
  • a digital low-pass SC as a pulse shaping element can be connected between the signals COMP and STOP.
  • the digital low pass inevitably causes a small delay TD.
  • a specification of the arc temperature is set with the gains Gl and G2 and stored for specific processes and materials via a processor ⁇ P, for example in the welding machine. They can be loaded from memory as needed. In this way different materials with different plasma temperatures can be welded by loading the corresponding values for G1 and G2.
  • a switchable holding member W which still receives the, high 'shutdown until the welding machine has switched off the pulse on its own.
  • This holding member is particularly advantageous when the welding machine is to operate in two modes:
  • a first operating mode (pulse mode) A the holding member W acts and extends the STOP signal by a time TW.
  • the welding machine WM starts each pulse and the spectral regulator SR switches it off again.
  • a second mode B namely a continuous operation or intermittent pulse operation, however, can be performed without holding member W.
  • the welding machine is given both the on and off signal: If the plasma exceeds a critical temperature (OFF), the stop signal STOP is set to 'high' and the welding power source is switched off. on. When the plasma falls below the critical temperature (ON), STOP goes low, and the spectral controller switches the welding power source back on. In this way, the plasma temperature is kept permanently in a defined temperature range, the variation of which is defined only by the sum of all process delays.
  • the signal STOP is advantageously supplied to the welding machine WM via a differential interface RS (for example RS485, under certain circumstances also insulated).
  • a differential interface RS for example RS485, under certain circumstances also insulated.
  • a microprocessor ⁇ P can be provided which transports adjustment and calibration data to and from the welding machine via an interface SER.
  • a further embodiment of the method is to go after a fixed preamplification of the time functions Fl, F2 via analog-to-digital converter to reproduce the spectral controller by hardware or software in the already existing signal processor of the welding machine.
  • This has the advantage that no additional interface SER for parameter exchange between spectral controller and welding machine has to be created and a microprocessor ⁇ P is eliminated.
  • the device for controlling the energy input of a pulsed arc plasma is an additional subassembly designated as a spectral regulator for the welding machine, which is assigned to the welding machine and which derives a control signal STOP for the welding machine from the plasma light.
  • the current WELD a pulse welding machine is turned off by this spectral control and switched on again depending on the mode A or B.
  • the spectral controller receives the plasma light by means of two spectrally sensitive photodiodes for different wavelengths Ll and L2 and amplifies and processes it as described in the method to a control signal STOP for the welding power source.
  • the spectral controller consists in a development of the exemplified in drawings assemblies. These are two amplifiers with gains Gl and G2 for the two photodiodes with the task of voltage-to-current conversion and adjustable signal amplification, a signal inversion INV, a summing circuit SUM, an automatic gain setting AGC, a comparator COMP, an adjustable digital low pass as a delay element SC , a switchable holding member W, a differential or optical interface circuit RS and a circuit for auto-synchronization AUTOSYNC, a circuit for generating internal operating voltages PWR a control unit BED, a power supply PWR and a microprocessor uP to exchange the setting test and calibration data with the welding machine.
  • the spectral controller is realized in SMD technology, so that it finds place in the burner head, it receives the light via a transparent opening in the burner head or in that it looks on the underside of the burner head arranged directly into the arc.
  • a light-conducting cable can be provided between the burner head and the welding machine, which transmits the light of the plasma to the photodiodes.
  • a light guide cable of suitable spectral characteristic for each photodiode may be necessary to use.
  • Another device relates to exchangeable filters. Under certain circumstances, it may be advantageous to use broadband photodiodes and provide corresponding filter glasses with longpass, shortpass or bandpass characteristic, which are inserted depending on the case in the spectral controller in front of the photodiodes.
  • Another device relates to exchangeable photodiodes.
  • the photodiodes can advantageously be arranged on a plug-in printed circuit board in order to be quickly interchangeable in greatly divergent welding processes or materials.
  • 1 is a graphical representation of an emission spectrum with spectral lines as a function of the wavelength for a typical pulsed arc plasma
  • FIG. 3 is a block diagram of a spectral controller with photodiodes
  • Fig. 4 is a graph for time functions f (t) for two modes
  • Fig. 5 is a schematic representation of a combination of a spectral controller with a pulse welding machine.
  • Fig. 1 shows a typical pattern of spectral lines to be welded or brazed metals ME and the inert gas argon AR with their relative emissions EM.
  • emission-breaking groups of lines are circled in the emission, which can be assigned to the metals or the inert gas (or active gas).
  • the relative breadth of these groups offers the opportunity to use relatively broadband photodiodes. It turns out that a separation in the range around the wavelength LX (about 600 nm) is necessary in order to obtain on the left a typical time course of the metal lines and on the right side of the argon lines. Maxima of the sensitivity of the two photodiodes may here be selected for metals on the wavelength L1 (here 420 nm) and for protective gas (argon) on the wavelength L2 (here 780 nm).
  • Fig. 2 explains the principal function of a spectral controller based on time functions f (t).
  • the time function Fl to be assigned to the metals increases during the current pulse with the time t, the time function F2 attributable to the protective gas or active gas drops during the current pulse.
  • the ratio G2 / G1 of the gains set by the preamplifiers determines the turn-off or turn-on temperature.
  • a binary low pass filter provides spike suppression and causes i.a. negligible additional delay TD, after which the STOP signal is triggered (OFF). If the temperature drops, the difference time function F3-F2-F1 increases again, the signals COMP and STOP return to low (ON).
  • a signal conditioning unit SC consisting of a digital delay-adjustable low-pass filter
  • switchable holding member W with switch positions A for pulsed operation and B for quasi-continuous operation as well as a digital interface RS, via which the signal
  • the operating voltage VDD comes from the welding machine WM and is processed in a power supply unit PWR.
  • a microprocessor ⁇ P communicates with the welding machine WM via an interface SER.
  • An operating interface BED includes, for example, light-emitting diodes or buttons for direct interaction EW with the spectral controller for setting the display values.
  • a pulse mode the internal timer of the welding machine starts the current pulse via the signal PULS. If the time function Fl rises above F2, the spectral controller switches off the welding current WELD via the STOP signal, marked 'OFF'. In order to prevent the welding machine from being switched on again, the STOP level of the switchable holding element is held for a sufficiently long time TW until the internal timer of the welding machine has expired and PULS has fallen back safely.
  • quasi-continuous operation B
  • the power of the welding machine is switched on (ON) and off (OFF) via the STOP signal.
  • the internal timer of the welding machine is switched off, the signal PULS is on, high 'potential.
  • the spectral controller controls the welding machine. For better synchronization of the droplet detachment can be run with mode B and an intermittent operation in which the timer of the welding machine specifies a long pulse, which is chopped by the spectral controller into several parts.
  • FIG. 5 shows the principle of the combination of the spectral regulator SR with a pulse welding machine WM.
  • connection is interrupted by the internal pulse generator PUGE to the welding current source SSQ.
  • WELD PULSE & / STOP.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Energieeintrags eines Pulslichtbogenplasmas bei einem Fügeprozess, insbesondere bei einem Schweiß- oder Lötprozess, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erfassen von ersten Messsignalen für einen ersten zeitlichen Verlauf von Emissionslicht aus einem Lichtbogenplasma des Fügeprozesses in einem ersten spektralen Bereich mit einer ersten Photodiode, welche ein Sensitivitätsmaximum bei einer ersten Wellenlänge aufweist, Erfassen von zweiten Messsignalen für einen zweiten zeitlichen Verlauf des Emissionslicht aus dem Lichtbogenplasma des Fügeprozesses in einem zweiten spektralen Bereich, welcher wenigstens teilweise von dem ersten spektralen Bereich verschieden ist, mit einer zweiten Photodiode, welche ein Sensitivitätsmaximum bei einer zweiten Wellenlänge aufweist, die von der ersten Wellenlänge verschieden ist, Erzeugen von Steuersignalen, indem in einer Auswerteeinrichtung die ersten Messsignale und die zweiten Messsignale verglichen werden, und Regeln einer Energiequelle, die konfiguriert ist, gepulst Energie für das Lichtbogenplasma bereitzustellen, gemäß den Steuersignalen sowie Vorrichtung zum Regeln eines Energieeintrages.

Description

Verfahren zum Regeln eines Energieeintrags eines Pulslichtbogenplasmas bei einem
Fügeprozess und Vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Energieeintrags eines Pulslichtbogenplasmas bei einem Fügeprozess sowie Eine Vorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Versuche, den Energieeintrag bei Pulsschweißprozessen mittels Messung und Regelung allein von Schweißstrom und Schweißspannung zu beeinflussen, sind Stand der Technik und funktionieren hinab bis zu Blechdicken von 0,7 Millimeter ausreichend gut.
Je dünner die zu fugenden Bleche werden, um so instabiler laufen aber bisherige Schweißprozesse. Oxidstellen, Materialverspannungen oder Abstandsfehler fuhren zu häufigerem Durchbrennen des Bleches. Einerseits muss der Energieeintrag hoch genug sein, um eine innige Materialverbindung zu erzeugen, andererseits darf er nicht so hoch werden, dass die Schweißnaht oder das Schweißgut nicht durchfällt.
Verschiedene Untersuchungen erfolgten, um den Energieeintrag mittels Einbeziehung weiterer Einflussgrößen zu stabilisieren. Hierbei hat sich gezeigt, dass spektrale Informationen nützliche Hinweise zum Prozessgeschehen geben können. In der Literatur findet man vorwiegend Untersuchungen zu Spektrallinien beteiligter Materialien, um zu Prozessaussagen zu kommen.
In Han GuoMing et al.: Acquisition and pattern recognition of spectrum information of weld- ing metal transfer. Materials & Design, Vol. 24, Issue 8, December 2003, pp. 699-703 wird eine Technik angegeben, das Lichtbogenspektrum mittels Mustererkennungsmethoden zu untersuchen. Korrekte Schweißungen dienen als Trainingsmuster. Ein Minimum-Distanz Klassifikator wurde entwickelt, um verschiedene Merkmale zu extrahieren. In Li et al.: Precision Sensing of Are Length in GTAW Based on Are Light Spectrum. Journal of Manufacturing Science and Engineering, February 2001, Vol. 123, Issue 1, pp. 62-65 wird versucht, mit spektralen Methoden die Lichtbogenlänge im Gas Tungsten Are Welding (GTAW) Prozess zu bestimmen. Auf einer Wellenlänge von 696.5 nm; +/-15 nm ist es möglich, die Lichtbogenlänge auf +/- 0,2 mm zu bestimmen.
In Li et al.: Spectral Information of Are and Welding Automation, Welding in the World, Vol. 34, (1994) 317-324 sowie in Li Junyue et al.: Basic theory and method of welding arc spectral information, Chinese Journal of Mechanical Engineering 2004/02 wird ein Satz aus zwölf Gleichungen zur Modellierung spektraler Eigenschaften des Lichtbogens angegeben. Davon ausgehend ist es möglich, verschiedene Rückschlüsse auf den Zustand des Lichtbogens und der Zustandsänderungen zu geben.
In Valensi et al.: Experimental study of a MIG-MAG welding arc. 13th International Cong- ress on Plasma Physics, ICPP 2006, Kiev, May 22-26, 2006 wird ein Überblick gegeben, in welcher Weise moderne Methoden der Plasmaphysik anwendbar sind. So werden mit einem Linienspektrometer Aussagen zum Tropfenübergang und zum Einfluss des Schutzgases untersucht, man kommt z.B. zur Feststellung: „Die Plasmatemperatur scheint 20.000 Kelvin nicht zu überschreiten".
In Li et al.: Analysis of an Arc Light Mechanism and Its Application in Sensing of the GTAW Process. Welding Research Supplement, Sept. 2000, 252-260 wird der Gas-Tungsten Arc- Welding Prozess (GTAW) mit spektralen Methoden untersucht. Durch Ausfiltern der Argon Ionenlinien und von Metall- Atomlinien kann eine Beziehung für die Lichtbogenlänge auf +/- 0,2 mm abgeleitet werden.
In Ancona et al.: Optical Sensor for real-time Monitoring of CO2 Laser Welding Process. Applied Optics, Vol. 40, Issue 33, pp. 6019-6025 werden linienspektrometrisch die Emissionslinien von drei Elementen bestimmt, um daraus Aussagen für die Plasmatemperatur zu gewinnen. Eine Korrelation zwischen Hauptwert und Standardabweichung der Plasma- Elektronen-Temperatur und der Qualität der Schweißverbindung wird hergestellt. Das Messsystem arbeitet allerdings nicht in Realzeit. In der Arbeit Vilarinho et al.: Proposal for a Modified Fowler-Milne Method to Determine the Temperature Profile in TIG Welding. J. of the Braz. Soc. of Mech. Sei. & Eng. January- March 2004, Vol. XXVI, No.1/35 werden Berechnungsgrundlagen vorgestellt, um aus dem Spektrum sowie aus optischen Informationen zu Parametern, wie Lichtbogenlänge oder Temperatur zu kommen. Für 40 Ampere (-1...2 kW) werden Temperaturen bis 10.000 Kelvin berechnet. Allerdings ist die Methode nicht tauglich für Regelung in Echtzeit.
Eine linienspektrometrische Variante wird in dem Dokument DE 10 2004 015 553 Al beschrieben. Idee ist es, mittels spektraler Zerlegung des Plasma- Lichtes den Energieeintrag eines Schweißprozesses zu kontrollieren. Ein Linienspektrometer soll Regelinformationen bereitstellen, die das Schweißgerät steuern. Ein ähnlicher Vorschlag wird in einer Arbeit von Mirapeix et al.: „Embedded spectroscopic über sensor for on-line arc-welding analysis" Applied Optics, Vol. 46, Issue 16, June 2007, pp. 3215-3220 gemacht. Es wird eine Glasfaserleitung in den Schutzgasschlauch eingebettet, und es wird eine sehr effiziente Möglichkeit erhalten, das Licht des Bogens ohne Eingriffe in den Brennerkopf zu einem Spektrometer zu übertragen.
Von denselben Autoren wird im Aufsatz Mirapeixet al.: "Fast algorithm for spectral proces- sing with application to on-line welding quality assurance" Measurement Science and Technology, 17, (10), 2623-2629, 2006 ein Algorithmus beschrieben, mit dessen Hilfe es möglich wird, basierend auf Einzellinien Schweißprozesse zu analysieren. Dabei wird eine Verarbeitungszeit für die Analyse mehrerer Linien {multiple peak analysis) von zwanzig Millisekunden auf einem konventionellen PC erreicht.
Zu spektralen Methoden siehe auch einen Überblick über neuzeitliche Forschungen im Internet unter http://www.ilib.cn/A-jxgcxb-e200402036.html.
Ein Problem der bekannten Verfahren sind die extrem hohen Temperaturänderungen. Wird eine Momentanleistung von rund zehn Kilowatt in ein Kubikmillimeter großes Plasma eingeführt, so ergeben sich Temperaturänderungen von einigen Millionen Kelvin pro Sekunde. Soll ein Regler den Schweißimpuls in Echtzeit abschalten, stehen dafür nur wenige Mikrosekun- den zur Verfügung. Als Software-Implementierung sind nur Regler mit Verzögerungen im Bereich von Millisekunden bekannt. Da die Schweißstromquelle nicht beliebig schnell ge- macht werden kann, ist es nötig, die Verzögerung des Spektralreglers weitestgehend zu minimieren.
Um zu kürzesten Regelzeiten kommen zu können, hat man die in einem Zeit- und Spektralintervall zur Verfügung stehende Zahl von Photonen effizient zu nutzen. Rauschen und spektrale Bandbreite hängen dadurch eng miteinander zusammen: je geringer Bandbreite und Sensorfläche, desto höher das Rauschen. Oder im Umkehrschluss: Je höher Bandbreite und Größe der Photosensoren, desto geringer das Rauschen in einem begrenzenden Zeitintervall.
Ein weiteres Problem bekannter Verfahren der Thermographie, Bolometrie oder Pyrometrie besteht darin, dass man versucht, aus nur einem Spektralbereich Informationen zu ziehen. Im Prozess der Herstellung und Nutzung eines spektralen Reglers für Schweißmaschinen aber sind vielerlei Schwankungen zu beachten: So würde ein derartiger Regler bei Abstandschwankungen oder Verschmutzung andere Werte anzeigen. So empfiehlt sich im Ansatz vielmehr ein Differenzprinzip.
Nun ist bekannt, (siehe ISBN 3-8167-6766-4, www.irb.fraunhofer.de, Seite B41, oder http://www.choparc.de/ergebnis_inp.pdf (Seite 14 vom 16. September 2004) bzw. Dokument DE 10 2004 015 553 Al (WO/2005/051586), dass bei gepulsten Lichtbögen ein gegenläufiges Verhalten einzelner Emissionsintensitäten von Schutzgas- und Metalllinien zu beobachten ist. Die Intensität einer Argon-Emission im Infrarot sinkt schnell ab, während die Emission einer Linie des Metalldampfes des Plasmas im Ultraviolett mit der Strompulszeit steigt.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Regeln eines Energieeintrags eines Puis- lichtbogenplasmas bei einem Fügeprozess sowie eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen in Echtzeit eine möglichst zeiteffiziente Regelung des Energieeintrags ermöglicht ist. Es soll die Nutzung sowohl für einfachste Energiequellen für Schweiß- oder Lötgeräte als auch für marktübliche Geräte mit einem internen Timer ermöglicht sein. Darüber hinaus soll die Vorrichtung eine Bauart mit möglichst geringem Platzbedarf und in handlicher Form unterstützen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Regeln eines Energieeintrags eines Pulslichtbogenplasmas bei einem Fügeprozess nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Die Erfindung umfasst den Gedanken eines Verfahrens zum Regeln eines Energieeintrags eines Pulslichtbogenplasmas bei einem Fügeprozess, insbesondere bei einem Schweiß- oder Lötprozess, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erfassen von ersten Messsignalen für einen ersten zeitlichen Verlauf von Emissionslicht aus einem Lichtbogenplasma des Fügeprozesses in einem ersten spektralen Bereich, Erfassen von zweiten Messsignalen für einen zweiten zeitlichen Verlauf des Emissionslicht aus dem Lichtbogenplasma des Fügeprozesses in einem zweiten spektralen Bereich, welcher wenigstens teilweise von dem ersten spektralen Bereich verschieden ist, Erzeugen von Steuersignalen, indem in einer Auswerteeinrichtung die ersten Messsignale und die zweiten Messsignale verglichen werden, und Regeln einer Energiequelle, die konfiguriert ist, gepulst Energie für das Lichtbogenplasma bereitzustellen, gemäß den Steuersignalen. Bei der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Messsignale mit einer ersten Photodiode, welche ein Sensitivitätsmaximum bei einer ersten Wellenlänge aufweist, und die zweiten Messsignale mit einer zweiten Photodiode erfasst werden, welche ein Sensitivitätsmaximum bei einer zweiten Wellenlänge aufweist, die von der ersten Wellenlänge verschieden ist. Hierdurch werden getrennte Detektoreinrichtungen verwendet. Das Erfassen der Messsignale mit Hilfe von Photodioden hat den Vorteil, dass preiswerte und in verschiedenen Ausführungen zur Verfügung stehende Bauelemente verwendet werden, mit denen optische Signale mit einer spektralen Breite erfasst werden können. Darüber hinaus unterstützt die Verwendung der Photodioden eine Echtzeitregelung, da schnelle Antwortzeiten realisierbar sind.
Weiterhin umfasst die Erfindung den Gedanken einer Vorrichtung zum Regeln eines Energieeintrags eines Pulslichtbogenplasmas bei einem Fügeprozess, insbesondere bei einem Schweiß- oder Lötprozess, mit einer Messeinrichtung, die konfiguriert ist, erste Messsignale für einen ersten zeitlichen Verlauf von Emissionslicht aus einem Lichtbogenplasma des Fügeprozesses in einem ersten spektralen Bereich mit einer ersten Photodiode, welche ein Sensitivitätsmaximum bei einer ersten Wellenlänge aufweist, sowie zweite Messsignale für einen zweiten zeitlichen Verlauf des Emissionslicht aus dem Lichtbogenplasma des Fügeprozesses in einem zweiten spektralen Bereich, welcher wenigstens teilweise von dem ersten spektralen Bereich verschieden ist, mit einer zweiten Photodiode, welche ein Sensitivitätsmaximum bei einer zweiten Wellenlänge aufweist, die von der ersten Wellenlänge verschieden ist, zu erfassen, und einer Auswerteeinrichtung, die konfiguriert ist, Steuersignale zu erzeugen, indem die ersten Messsignale und die zweiten Messsignale verglichen werden, und die Steuersignale zum Regeln einer Energiequelle für gepulste Energie für das Lichtbogenplasma bereitzustellen.
Mit Hilfe der Erfindung ist die Möglichkeit für eine Echtzeitregelung des Energieeintrags des Pulslichtbogenplasmas bei dem Fügeprozess ermöglicht, bei der der üblicherweise genutzte Stromimpuls in kürzester Zeit ab- oder angeschaltet werden kann. Bevorzugt erfolgt dieses im Zeitbereich von wenigen Mikrosekunden. Beim Erreichen einer bestimmten Temperatur oder einer bestimmten Metalldampfkonzentration im Pulslichtbogenplasma kann in kürzester Zeit reagiert werden.
Das Vergleichen der ersten und der zweiten Messsignale in der Auswerteeinrichtung zum Erzeugen der Steuersignale kann die Einbeziehung eines oder mehrerer Schwellwerte umfassen, bei deren Erreichen oder Nichterreichen bestimmte Steuersignale erzeugt werden. Derartige Schwellwerte können vom Benutzer voreingestellt und an die jeweilige Anwendung an- gepasst werden.
Beim Erfassen der ersten und der zweiten Messsignale können sich der erste und der zweite spektrale Bereich teilweise überlappen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass zwischen dem ersten und dem zweiten spektralen Bereich keinerlei Überlappung vorhanden ist. Bei den spektralen Bereichen kann es sich zum Beispiel um Abschnitte im ultravioletten Bereich und im Infrarotbereich handeln.
Die Erfindung nutzt in einer Ausgestaltung die Erkenntnis, dass das Zeitverhalten nicht zwingend an definierte optische Liniengruppen gebunden ist. Eine statistische Analyse einer möglichen Ausfuhrung zeigte, dass die Divergenz von Punktwolken um so höher ist, je weiter mittlere Maxima von Photodioden um einen Zentralpunkt bei etwa 600 nm auseinander liegen. So zeigt in einer Ausgestaltung ein Photodiodenpaar blau/rot eine geringere Divergenz der Punktwolken, als ein Paar Ultraviolett/Infrarot (UV/IR). Bei qualitativ gleichen Signal- aussagen wird bei quantitativ ähnlichen Aussagen mit der UV/IR-Paarung eine höhere Differenzspannung gewinnbar.
Es können wahlweise optische Filter genutzt werden, um das Messlicht spektral zu filtern.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Regeln der Energiequelle ein Regeln der Temperatur des Lichtbogenplasmas umfasst. Hierbei wird aus den ersten und den zweiten Messsignale eine Temperatur des Lichtbogenplasmas ermittelt, die dann wahlweise mit einem vorgegebenen Temperaturschwellwert für den Fügeprozess verglichen werden kann, um ausgehend von dem Vergleich die Steuersignale zu erzeugen, die insoweit einer Temperaturregelung des Lichtbogenplasmas beim Fügeprozess dienen.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass für die ersten Messsignale ein ansteigender Signalverlauf und für die zweiten Messsignale ein abfallender Signalverlauf gemessen werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zumindest die ersten Messsignale oder zumindest die zweiten Messsignale vor dem Erzeugen von Steuersignalen auf einen jeweiligen Vergleichsmesssignalpegel gewandelt werden. Bei der Wandlung der Messsignale auf einen jeweiligen Vergleichsmesssignalpegel kann eine Dämpfung und / oder eine Verstärkung des Signalpegels erfolgen. Mit Hilfe der Messsignalwandlung können die ersten und die zweiten Messsignale insbesondere auf einen ähnlichen oder gleichen Signalpegel gebracht werden.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass beim Vergleichen die ersten und der zweiten Messsignale eine Differenzbildung zwischen den ersten und den zweiten Messsignalen ausgeführt wird. Bei der Differenzbildung ermittelte Differenzwerte können mit einem oder mehreren Schwellwerten verglichen werden, so dass die Steuersignalerzeugung in Abhängigkeit von dem Vergleich zwischen Differenzwerten und Schwellwerten erfolgt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Steuersignale ein Abschaltsignal für die Energiequelle umfassend erzeugt werden. Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass mittels eines Haltegliedes für das Abschaltsignal ein Impulsverlängerungssignal erzeugt wird, wenn die Energiequelle einen Impulsstart vorgibt.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Steuersignale ein Anschaltsignal für die Energiequelle umfassend erzeugt werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Steuersignale Gegenregel- signale für die Energiequelle umfassend erzeugt werden, mit denen ein Stromniveau der E- nergiequelle abschaltfrei gegen geregelt wird.
Eine vorteilhafte Ausfuhrungsform der Erfindung sieht vor, dass die Steuersignale mittels eines Tiefpassfilters gefiltert werden. Bei dem Tiefpassfilter kann es sich zum Beispiel um einen einstellbaren, digitalen Filter handeln.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass in wenigstens einem weiteren spektralen Bereich, welcher sowohl von dem ersten als von zweiten spektralen Bereich wenigstens teilweise verschieden ist, weitere Messsignalen für einen weiteren zeitlichen Verlauf des Emissionslichts aus dem Lichtbogenplasma des Fügeprozesses erfasst und für das Erzeugen der Steuersignale herangezogen werden. Auf diese Weise kann ein weiterer spektraler Bereich ausgewertet werden. Zur Messwerterfassung wird bevorzugt eine weitere Photodiode verwendet.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass zumindest die ersten Messsignale für einen mehrere Spektrallinien des Emissionslichtes umfassenden ersten spektralen Bereich oder zumindest die zweiten Messsignale für einen mehrere Spektrallinien des Emissionslichtes umfassenden zweiten spektralen Bereich erfasst werden.
In Verbindung mit bevorzugten Ausgestaltungen der Vorrichtung zum Regeln eines Energieeintrags eines Pulslichtbogenplasmas bei einem Fügeprozess gelten die vorangehend im Zusammenhang mit gleichen Ausführungsformen des Verfahrens zum Regeln des Energieeintrags gemachten Anmerkungen entsprechend. Es kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Photodiode an einem Brennerkopf angeordnet sind. Hierbei ist eine Anordnung auf der Außenseite oder der Innenseite des Brennerkopfes möglich. In einer anderen Ausgestaltung erfolgt das Einkoppeln von Lichtsignalen über ein Lichtleitkabel, zum Beispiel in Form eines Glasfserkabels, welches das Licht zu den optischen Detektoren führt, die dann auch getrennt vom Brennerkopf angeordnet sein können, zum Beispiel in einem Schweißgerät.
Die erste und die zweite Photodiode können mittels einer Steckverbindung auswechselbar auf einer Vorverstärkerplatte angeordnet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die erste und die zweite Photodiode sowie eine Vorverstärkereinrichtung und eine Messsignalaufbereitungseinrichtung in baulicher Einheit zu einem Spektralregler zusammengefasst.
In einer Ausführung sind die erste und die zweite Photodiode an einen Analog-Digital- Wandler gekoppelt, so dass die Messsignale in analoge Signale wandelbar sind.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen näher erläutert.
Das Verfahren zum Regeln des Energieeintrages kann in einer Ausgestaltung mit zwei Photodioden ausgeführt werden, deren Sensitivitäts-Maxima auf verschiedenen Wellenlängen Ll und L2 liegen, wobei mit den zwei Photodioden zwei zueinander gegenläufige Zeitfunktion oder -verlaufe für spektrale Messsignale Fl* und F2* beobachtet werden. Hierbei liegt in einer Ausgestaltung ein erstes Maximum auf der Wellenlänge Ll in dem Spektralbereich, in welchem vorrangig zu schweißende Metalle emittieren. Ein zweites Maximum L2 liegt im Bereich eines genutzten Schutzgases (zum Beispiel Argon oder Helium) und / oder eines Aktivgases wie CO2- Das Maximum Ll mit der Zeitfunktion Fl* liegt vorzugsweise im Ultra- violett-Bereich (UV), das Maximum L2 mit der Zeitfunktion F2* liegt zum Beispiel im Bereich des Infrarot (IR).
Werden die gemessenen Messsignale Fl*, F2* verstärkt um Gl und G2 als Fl = Gl Fl*, F2 = G2 F2* aufgezeichnet, so ergibt sich ein Zeitverhalten, welches der Emission von Einzellinien etwa entspricht. Die Zeitfunktion Fl (im UV-Bereich) steigt mit Pulsbeginn langsam an und erreicht ihr Maximum erst bei Pulsende, während die Zeitfunktion F2 (IR-Bereich) ihr Maximum sofort nach Pulsbeginn erhält, und dann langsam abfällt.
Um sicher zu stellen, dass Verschmutzungen oder Abschattungen das Schaltergebnis nicht beeinflussen, wird in einer Ausfuhrungsform eine Differenzform gewählt. Dazu wird eine weitere Zeitfunktion F3 = F2 - Fl = G2 F2* - Gl Fl* gebildet. Dieses Differenzsignal F3 steigt mit Pulsbeginn steil an, um hernach langsam bis zum Minimum abzufallen. Eine der Zeitfunktionen, sei es Fl, kann dazu vorteilhaft mit einem Inverter INV negiert werden, um folgend mit einem Addierer SUM die Differenz F3 = F2 + (- Fl) = F2 - Fl bilden zu können.
Sei die Zeitfunktion der Photodioden Fl* und F2* und die eingestellte Verstärkung der Vorverstärker Gl und G2, so lässt sich eine Schaltbedingung über F2/F1 = (F2' G2) / (Fl' Gl) in zwei Varianten ableiten. In Quotientenform ist über Gl und G2 die Schaltbedingung abfragbar in der Form F2 / Fl == 1?. Mikroelektronisch einfacher zu realisieren ist eine Abfrage in Differenzform F2 - Fl == 0?. Auch hierfür gilt F2/F1 = 1 bei Erreichen einer idealen Schaltschwelle S=O. In Realität sollte S allerdings leicht negativ sein, um eine einfache Realisierung der Schaltfunktion zu erfüllen. Die Abschaltschwelle wird bei beiden Formen bevorzugt durch die Relation der eingestellten und zu kalibrierenden Verstärkungen Gl und G2 bestimmt. Die Varianten favorisieren bestimmte Applikationen. So ist die Quotientenform geeignet, um die Plasmatemperatur analytisch über eine Temperaturfunktion T(F2, Fl) zu schätzen. Die Differenzform hingegen ist besonders für das hier beschriebene Verfahren als schneller Regler geeignet.
Um reproduzierbare Verhältnisse zu erhalten, ist es von Vorteil, das Differenzsignal F3 = F2 - Fl in einer Ausgestaltung im Pegel zu korrigieren, bevor ein Schaltsignal abgeleitet wird. Hintergrund ist die Möglichkeit, die Quotientenform in Zähler und Nenner mit einem gleichen Faktor k zu erweitern, ohne die Schaltschwelle zu verändern. Dazu wird die Amplitude des Differenzsignals F3 mit einer automatischen Verstärkungsregelung AGC auf einen definierten Spannungswert eingestellt. Es wird hierdurch gewährleistet, dass geringe Abstandsschwankungen oder Verschmutzungen keinen Einfluss auf einen hernach im Komparator benötigten, nicht vernachlässigbar kleinen Schwellwert S haben. Der Punkt des Durchgangs von F3 kann durch einen gering unterhalb von Null liegenden Schwellwert S charakterisiert nun eine definierte Schaltschwelle, bei der die Temperatur oder Metalldampfkonzentration im Plasma einen kritischen Wert erreicht hat. Unterschreitet F3 den Wert von S, wird mit einem Komparator ein digitales Signal COMP erzeugt, welches auf logisch ,high' geht. Wird S überschritten, so geht COMP auf ,low'. Die Abschaltbedingung für COMP kann dabei in der Form F3 = F2 - FK S ? dargestellt werden.
Um sicherzustellen, dass Rauschen oder kurze Lichtblitze {shot noise) den Schweißpuls nicht versehentlich zu früh abschalten, kann in einer Ausführung ein digitaler Tiefpass SC als Pulsformungsglied zwischen die Signale COMP und STOP geschaltet werden. Der digitale Tiefpass verursacht zwangsläufig eine geringe Verzögerungszeit TD.
Eine Vorgabe der Lichtbogentemperatur wird mit den Verstärkungen Gl und G2 eingestellt und für spezifische Prozesse und Materialien über einen Prozessor μP zum Beispiel in der Schweißmaschine abgespeichert. Sie können bei Bedarf wieder aus dem Speicher geladen werden. Auf diese Weise können unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Plasmatemperaturen geschweißt werden, dadurch, dass die entsprechenden Werte für Gl und G2 geladen werden.
Um eine einfache Schnittstelle zur Schweißmaschine zu erhalten, kann es vorteilhaft sein, ein zuschaltbares Halteglied W vorzusehen, welches den ,high'- Abschaltpegel noch solange erhält, bis die Schweißmaschine von sich aus den Puls abgeschaltet hat. Dieses Halteglied ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Schweißmaschine in zwei Betriebsarten arbeiten soll:
In einer ersten Betriebsart (Pulsbetrieb) A wirkt das Halteglied W und verlängert das STOP- Signal um eine Zeit TW. Dabei startet die Schweißmaschine WM jeden Puls und der Spektralregler SR schaltet diesen wieder ab.
Eine zweite Betriebsart B, nämlich ein Dauerbetrieb oder intermittierender Pulsbetrieb, kann hingegen ohne Halteglied W ausgeführt werden. Hier wird der Schweißmaschine sowohl An- wie auch Abschaltsignal übergeben: Wenn das Plasma eine kritische Temperatur überschreitet (OFF), wird das Stopsignal STOP auf ,high' gesetzt und die Schweißstromquelle wird abge- schaltet. Wenn das Plasma die kritische Temperatur dann wieder unterschreitet (ON), geht STOP auf ,low' und der Spektralregler schaltet die Schweißstromquelle wieder ein. Auf diese Weise wird die Plasmatemperatur permanent in einem definierten Temperaturbereich gehalten, dessen Variation nur durch die Summe aller Prozessverzögerungen definiert ist.
Zur besseren Synchronisation der Tropfenablösung kann mit Betriebsart B auch ein intermittierender Betrieb gefahren werden, bei dem der Timer der Schweißmaschine einen langen Puls vorgibt, der durch den Spektralregler in Teile zerhackt wird.
Um eine störungsfreie Kommunikation mit der Schweißmaschine zu erhalten, wird das Signal STOP vorteilhaft über eine differentielle Schnittstelle RS (zum Beispiel RS485, unter Umständen auch isoliert) an die Schweißmaschine WM geliefert.
Da die Signale der Photodioden teilweise bis zu tausendfach zu verstärken sind, und asymmetrische Signalformen vorliegen, ist galvanische Kopplung aller Stufen unverzichtbar. Zur Realisierung der Verstärkungen Gl und G2 werden spezifisch entwickelte Chopperverstärker genutzt. Für deren Offsetabgleich ist es vorteilhaft, aus den Signalen Fl, F2 und/oder F3 mit einer Baugruppe AUTOSYNC ein für die Chopperverstärker verwendbares Synchronisationssignal SYNC zu erzeugen, welches jeweils in der Pulspause für den Offsetabgleich sorgt.
Um die bezeichneten, einstellbaren Werte zum Beispiel für Gl und G2 abspeichern und prozessabhängig wieder laden zu können, kann ein Mikroprozessor μP vorgesehen sein, der über ein Interface SER Einstell- Test- und Kalibrierdaten von und zur Schweißmaschine transportiert.
Eine weitere Ausformung des Verfahrens besteht darin, nach einer festen Vorverstärkung der Zeitfunktionen Fl, F2 über Analog-Digitalwandler zu gehen, um den Spektralregler per Hard- oder Software im ohnehin vorhandenen Signalprozessor der Schweißmaschine nachzubilden. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Schnittstelle SER für Parameteraustausch zwischen Spektralregler und Schweißmaschine geschaffen werden muss und ein Mikroprozessor μP entfällt. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Vorrichtung zur Regelung des Energieeintrags eines Pulslichtbogenplasmas um eine als Spektralregler bezeichnete Zusatzbaugruppe zur Schweißmaschine, die der Schweißmaschine zugeordnet ist, und die aus dem Plasmalicht ein Steuersignal STOP für die Schweißmaschine ableitet.
In einer Ausführung wird der Strom WELD einer Pulsschweißmaschine durch diesen Spektralregler abgeschaltet und je nach Betriebsart A oder B auch wieder eingeschaltet. Der Spektralregler nimmt das Plasmalicht mittels zweier spektralsensitiver Photodioden für unterschiedliche Wellenlängen Ll und L2 auf und verstärkt und verarbeitet es wie im Verfahren beschrieben zu einem Steuersignal STOP für die Schweißstromquelle.
Der Spektralregler besteht in einer Weiterbildung aus den beispielhaft in Zeichnungen erläuterten Baugruppen. Das sind: zwei Verstärker mit Verstärkungen Gl und G2 für die zwei Photodioden mit der Aufgabe der Spannungs-Stromwandlung und einstellbarer Signalverstärkung, einer Signalinversion INV, einer Summierschaltung SUM, einer automatischen Verstärkungseinstellung AGC, einem Komparator COMP, einem stellbaren, digitalen Tiefpass als Verzögerungsglied SC, einem schaltbaren Halteglied W, einer differentiellen oder optischen Schnittstellenschaltung RS sowie einer Schaltung zur Autosynchronisation AUTOSYNC, einer Schaltung zur Erzeugung interner Betriebsspannungen PWR einem Bedienteil BED, einer Spannungsversorgung PWR und einem Mikroprozessor μP zum Austausch der Einstell- Test und Kalibrierdaten mit der Schweißmaschine.
Wird der Spektralregler in SMD-Technik realisiert, so dass er im Brennerkopf Platz findet, so erhält er das Licht über eine lichtdurchlässige Öffnung im Brennerkopf oder dadurch, dass er auf der Unterseite des Brennerkopfes angeordnet direkt in den Lichtbogen schaut.
Wird der Spektralregler hingegen in der Schweißmaschine untergebracht, so kann vorteilhaft ein Lichtleitkabel zwischen Brennerkopf und Schweißmaschine vorgesehen werden, welches das Licht des Plasmas zu den Photodioden überträgt.
In Abhängigkeit von den gewählten Spektralbereichen der Photodioden kann es erforderlich sein, dass für jede Photodiode ein Lichtleitkabel passender spektraler Charakteristik verwendet wird. Eine weitere Vorrichtung betrifft austauschbare Filter. Unter Umständen kann es von Vorteil sein, breitbandige Photodioden zu benutzen und entsprechende Filtergläser mit Longpass-, Shortpass- oder Bandpass- Charakteristik vorzusehen, die fallabhängig in den Spektralregler vor die Photodioden eingeschoben werden.
Eine weitere Vorrichtung betrifft austauschbare Photodioden. So können die Photodioden vorteilhaft auf einer steckbaren Leiterkarte angeordnet sein, um bei stark abweichenden Schweißprozessen oder -materialien schnell austauschbar zu sein.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiel der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf
Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine grafische Darstellung eines Emissionsspektrums mit Spektrallinien in Abhängigkeit von der Wellenlänge für ein typisches Pulslichtbogenplasma,
Fig. 2 eine grafische Darstellung von Zeitfunktionen f(t) in Abhängigkeit von der Zeit,
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Spektralreglers mit Photodioden,
Fig. 4 eine grafische Darstellung für Zeitfunktionen f(t) für zwei Betriebsarten und
Fig. 5 eine schematische Darstellung für eine Kombination eines Spektralreglers mit einer Pulsschweißmaschine.
Fig. 1 zeigt ein typisches Muster von Spektrallinien zu schweißender oder zu lötender Metalle ME sowie des Schutzgases Argon AR mit deren relativen Emissionen EM.
In bestimmten Bereichen sind sich in der Emission abhebende Gruppen von Linien eingekreist, die den Metallen oder dem Schutzgas (oder Aktivgas) zugeordnet werden können. Die relative Breite dieser Gruppen bietet die Chance, relativ breitbandig Photodioden zu nutzen. Es zeigt sich, dass eine Trennung im Bereich um die Wellenlänge LX (etwa 600 nm) nötig ist, um linksseitig einen typischen Zeitverlauf der Metallinien und rechtsseitig den der Argonlinien zu erhalten. Maxima der Sensitivität der zwei Photodioden mögen hier für Metalle auf der Wellenlänge Ll (hier 420 nm) und für Schutzgas (Argon) auf der Wellenlänge L2 (hier 780 nm) gewählt werden. Fig. 2 erklärt die prinzipielle Funktion eines Spektralreglers anhand von Zeitfunktionen f(t).
Die den Metallen zuzuordnende Zeitfunktion Fl steigt während des Strompulses mit der Zeit t an, die dem Schutzgas oder Aktivgas zuzuordnende Zeitfunktion F2 fällt während des Strompulses ab. Die von den zwei Photodioden gelieferten und verstärkten Zeitfunktionen Fl und F2 werden subtrahiert. Wenn Fl größer wird als F2, so wird die Differenz-Zeitfunktion F3 = F2 - Fl negativ. Durchläuft F3 die leicht im negativen liegende Schaltschwelle S, so wird daraus das Komparatorsignal COMP gebildet. Solange F3 unter der Schwelle S liegt, bleibt das Signal COMP = high. Dabei ist Fl größer F2 und das Plasma ist in dieser Zeit zu energiereich. Das Verhältnis G2/G1 der mit den Vorverstärkern eingestellten Verstärkungen bestimmt die Ab- oder Anschalttemperatur. Ein binäres Tiefpassfilter sorgt für eine Spikeunterdrückung und verursacht eine i.a. vernachlässigbare Zusatzverzögerung TD, nach der das Signal STOP ausgelöst wird (OFF). Sinkt die Temperatur, so steigt die Differenz-Zeitfunktion F3 - F2 - Fl wieder an, die Signale COMP und STOP gehen auf ,low' zurück (ON).
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild des Spektralreglers SR mit Photodioden der Wellenlängen- Sensitivitätsmaxima Ll und L2, einstellbaren Verstärkungen Gl und G2, zwei Zeitfunktionen Fl und F2, einem Inverter INV, der die Zeitfunktion Fl negiert zu -Fl, einem Addierer SUM, der die Differenz F3 = (F2 - Fl) ausgibt, einer automatischen Verstärkungsregelung AGC, einer Schaltung zur Synchronimpulsgewinnung AUTOSYNC, einem Komparator COMP, der an der Schwelle S kompariert, einer Signalkonditioniereinheit SC (bestehend aus einem digitalem Tiefpass mit einstellbarer Verzögerung), einem schaltbaren Halteglied W mit Schalterstellungen A für Pulsbetrieb und B für quasikontinuierlichen Betrieb sowie einer digitalen Schnittstelle RS, über die das Signal STOP an die Schweißmaschine WM gegeben wird. Die Betriebsspannung VDD kommt von der Schweißmaschine WM und wird in einer Spannungs- versorgungseinheit PWR aufbereitet. Ein Mikroprozessor μP kommuniziert mit der Schweißmaschine WM über ein Interface SER. Eine Bedienschnittstelle BED beinhaltet zum Beispiel Leuchtdioden oder Knöpfe für direkte Interaktion EW mit dem Spektralregler zu Einstelloder Anzeigewerten.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung von zwei Betriebsarten anhand von Zeitfunktionen f(t). In einem Pulsbetrieb (A) startet der interne Timer der Schweißmaschine den Strompuls über das Signal PULS. Wenn die Zeitfunktion Fl über F2 steigt, schaltet der Spektralregler über das STOP- Signal den Schweißstrom WELD aus, gekennzeichnet mit ,OFF'. Um ein Wiedereinschalten der Schweißmaschine zu verhindern, wird der STOP- Pegel vom schaltbaren Halteglied noch eine hinreichend lange Zeit TW festgehalten, bis der interne Timer der Schweißmaschine abgelaufen ist, und PULS sicher zurückgefallen ist. Im quasi-kontinuierlichen Betrieb (B) wird der Strom der Schweißmaschine über das STOP- Signal ein- (ON) sowie ausgeschaltet (OFF). Der interne Timer der Schweißmaschine ist hierbei abgeschaltet, das Signal PULS liegt dabei auf ,high'-Potential. Der Spektralregler kontrolliert hierbei die Schweißmaschine. Zur besseren Synchronisation der Tropfenablösung kann mit Betriebsart B auch ein intermittierender Betrieb gefahren werden, bei dem der Timer der Schweißmaschine einen langen Puls vorgibt, der durch den Spektralregler in mehrere Teile zerhackt wird.
Fig. 5 zeigt das Prinzip der Kombination des Spektralreglers SR mit einer Pulsschweißmaschine WM.
Um die Schweißmaschine um einen Eingang für das Signal STOP zu erweitern, wird im einfachsten Fall die Verbindung vom internen Pulsgenerator PUGE zur Schweißstromquelle SSQ unterbrochen. Das Signal STOP wird negiert mit einem AND-Gatter AND eingeflochten: WELD = PULS & / STOP. Zur Erhaltung der Ionisation fließt hier der Grundstrom unberührt in Addition zum Pulsstrom.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Regeln eines Energieeintrags eines Pulslichtbogenplasmas bei einem Fügeprozess, insbesondere bei einem Schweiß- oder Lötprozess, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Erfassen von ersten Messsignalen für einen ersten zeitlichen Verlauf von Emissionslicht aus einem Lichtbogenplasma des Fügeprozesses in einem ersten spektralen Bereich mit einer ersten Photodiode, welche ein Sensitivitätsmaximum bei einer ersten Wellenlänge aufweist,
- Erfassen von zweiten Messsignalen für einen zweiten zeitlichen Verlauf des Emissionslicht aus dem Lichtbogenplasma des Fügeprozesses in einem zweiten spektralen Bereich, welcher wenigstens teilweise von dem ersten spektralen Bereich verschieden ist, mit einer zweiten Photodiode, welche ein Sensitivitätsmaximum bei einer zweiten Wellenlänge aufweist, die von der ersten Wellenlänge verschieden ist,
Erzeugen von Steuersignalen, indem in einer Auswerteeinrichtung die ersten Messsignale und die zweiten Messsignale verglichen werden, und Regeln einer Energiequelle, die konfiguriert ist, gepulst Energie für das Lichtbogenplasma bereitzustellen, gemäß den Steuersignalen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Regeln der Energiequelle ein Regeln der Temperatur des Lichtbogenplasmas umfasst.
3. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass für die ersten Messsignale ein ansteigender Signalverlauf und für die zweiten Messsignale ein abfallender Signalverlauf gemessen werden.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass zumindest die ersten Messsignale oder zumindest die zweiten Messsignale vor dem Erzeugen von Steuersignalen auf einen jeweiligen Ver- gleichsmesssignalpegel gewandelt werden.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleichen die ersten und der zweiten Messsignale eine Differenzbildung zwischen den ersten und den zweiten Messsignalen ausgeführt wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale ein Abschaltsignal für die Energiequelle umfassend erzeugt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Haltegliedes für das Abschaltsignal ein Impulsverlängerungssignal erzeugt wird, wenn die Energiequelle einen Impulsstart vorgibt.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale ein Anschaltsignal für die Energiequelle umfassend erzeugt werden.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale Gegenregelsignale für die Energiequelle umfassend erzeugt werden, mit denen ein Stromniveau der Energiequelle abschaltfrei gegen geregelt wird.
10. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale mittels eines Tiefpassfilters gefiltert werden.
11. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem weiteren spektralen Bereich, welcher sowohl von dem ersten als von zweiten spektralen Bereich wenigstens teilweise verschieden ist, weitere Messsignalen für einen weiteren zeitlichen Verlauf des Emissionslichts aus dem Lichtbogenplasma des Fügeprozesses erfasst und für das Erzeugen der Steuersignale herangezogen werden.
12. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die ersten Messsignale für einen mehrere Spektrallinien des Emissionslichtes umfassenden ersten spektralen Bereich oder zumindest die zweiten Messsignale für einen mehrere Spektrallinien des Emissionslichtes umfassenden zweiten spektralen Bereich erfasst werden.
13. Vorrichtung zum Regeln eines Energieeintrags eines Pulslichtbogenplasmas bei einem Fügeprozess, insbesondere bei einem Schweiß- oder Lötprozess, mit: einer Messeinrichtung, die konfiguriert ist, erste Messsignale für einen ersten zeitlichen Verlauf von Emissionslicht aus einem Lichtbogenplasma des Fügeprozesses in einem ersten spektralen Bereich mit einer ersten Photodiode, welche ein Sensitivitätsmaximum bei einer ersten Wellenlänge aufweist, sowie zweite Messsignale für einen zweiten zeitlichen Verlauf des Emissionslicht aus dem Lichtbogenplasma des Fügeprozesses in einem zweiten spektralen Bereich, welcher wenigstens teilweise von dem ersten spektralen Bereich verschieden ist, mit einer zweiten Photodiode, welche ein Sensitivitätsmaximum bei einer zweiten Wellenlänge aufweist, die von der ersten Wellenlänge verschieden ist, zu erfassen, und - einer Auswerteeinrichtung, die konfiguriert ist, Steuersignale zu erzeugen, indem die ersten Messsignale und die zweiten Messsignale verglichen werden, und die Steuersignale zum Regeln einer Energiequelle für gepulste Energie für das Lichtbogenplasma bereitzustellen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Photodiode an einem Brennerkopf angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Photodiode sowie eine Vorverstärkereinrichtung und eine Messsignal- aufbereitungseinrichtung in baulicher Einheit zu einem Spektralregler zusammenge- fasst sind.
16. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Photodiode mittels einer Steckverbindung auswechselbar auf einer Vorverstärkerplatte angeordnet sind.
17. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Photodiode an einen Analog-Digital- Wandler gekoppelt sind.
18. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung konfiguriert ist, weitere Messsignale für einen weiteren zeitlichen Verlauf von Emissionslicht aus dem Lichtbogenplasma des Fügeprozesses in einem weiteren spektralen Bereich zu erfassen, welcher wenigstens teilweise von dem ersten und dem zweiten spektralen Bereich verschieden ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung zum Erfassen der weiteren Messsignale eine weitere Photodiode mit einem Sen- sitivitätsmaximum bei einer weiteren Wellenlänge aufweist, die von der ersten und der zweiten Wellenlänge verschieden ist.
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