FR2850463A1 - Determination of arc potential during arc welding, uses measured current to calculate potential drop created by resistance and inductance of connecting cables, and subtracts this from arc generator output voltage to estimate arc voltage - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour déterminerThe present invention relates to a method and a device for determining
unea
valeur approchée (Uarc) de la tension d'arc entre le tube contact ou l'électrode de soudage et au moins une pièce à souder à partir d'une mesure de la tension (Uposte) délivrée par un générateur de courant de soudage à l'arc comprenant un circuit électrique et alimentant le tube contact et/ou l'électrode de soudage. approximate value (Uarc) of the arc voltage between the contact tube or the welding electrode and at least one part to be welded from a measurement of the voltage (Uposte) supplied by a welding current generator at l arc comprising an electrical circuit and supplying the contact tube and / or the welding electrode.
De manière habituelle, une installation de soudage MIG-MAG à régulation électronique, analogique ou numérique, régule à partir de l'image de la tension d'arc et de paramètres, en mode synergique ou manuel, tels que la tension ou le dynamisme pour le procédé 'short arc' et tels que le courant de base, de pulse, le temps de base et la fréquence pour le procédé pulsé. Usually, a MIG-MAG welding installation with electronic, analog or digital regulation, regulates from the image of the arc voltage and parameters, in synergic or manual mode, such as the voltage or the dynamism for the short arc process and such as base current, pulse current, base time and frequency for the pulsed process.
La tension d'arc est une information vitale pour, dans des conditions données, assurer un résultat soudage reproductible, or pour une sélection donnée des paramètres (couple, fil gaz...) si la régulation électronique du procédé fonctionne avec la tension mesurée au poste et que celle-ci est plus ou moins différente de la tension d'arc réelle, le résultat de soudage ne sera pas reproductible. Cela est le cas par exemple si la valeur 2 0 de 'inductance ou de la résistance du circuit de soudage varie d'une opération de soudage à l'autre. Arc voltage is vital information for, under given conditions, ensuring a reproducible welding result, or for a given selection of parameters (torque, gas wire, etc.) if the electronic process control operates with the voltage measured at position and that it is more or less different from the actual arc voltage, the welding result will not be reproducible. This is the case, for example, if the value of the inductance or the resistance of the welding circuit varies from one welding operation to another.
Parmi les possibilités actuelles, pour que la tension mesurée soit la plus proche possible de la tension d'arc réelle, il est connu de: - effectuer la mesure par un câble dédié, relié à la pièce et, un second relié au 25 plus près de l'extrémité en fusion du fil, au tube contact par exemple ou au fil (au niveau de la bobine par exemple). Cependant l'inconvénient de cette méthode est de réduire la souplesse d'utilisation, le confort du soudeur et la fiabilité de l'installation; - rajouter une prise de mesure dans le dévidoir et par une électronique analogique spécialisée, reconstituer la tension d'arc à partir de la mesure de la tension 30 en sortie du générateur à laquelle on retranche deux fois la tension présente aux bornes du faisceau. Toutefois, pour être totalement efficace, cette méthode implique que la chute de tension dans le faisceau soit égale à la chute de tension dans le câble de pièce. Among the current possibilities, so that the measured voltage is as close as possible to the actual arc voltage, it is known to: - carry out the measurement by a dedicated cable, connected to the workpiece, and a second connected to the nearest 25 from the molten end of the wire, to the contact tube for example or to the wire (at the level of the spool for example). However, the drawback of this method is that it reduces the flexibility of use, the comfort of the welder and the reliability of the installation; - add a measurement taken in the reel and by specialized analog electronics, reconstruct the arc voltage from the measurement of the voltage 30 at the generator output from which the voltage present at the terminals of the beam is subtracted twice. However, to be fully effective, this method implies that the voltage drop in the bundle is equal to the voltage drop in the work cable.
De plus, la chute de tension dans la torche n'est pas prise en compte. In addition, the voltage drop in the torch is not taken into account.
Le problème qui se pose alors est de pouvoir réguler un procédé de soudage à 35 partir d'une information tension réellement représentative de la tension d'arc et donc de compenser les chutes de tension dans les câbles, dues aussi bien à la résistance qu'à l'inductance du câblage et ceci sans prise de mesure directe de la tension à l'extérieur du générateur. The problem which then arises is to be able to regulate a welding process on the basis of voltage information truly representative of the arc voltage and therefore to compensate for the voltage drops in the cables, due both to the resistance and to the resistance. to the inductance of the wiring and this without direct measurement of the voltage outside the generator.
La solution de l'invention est alors un procédé pour déterminer une valeur approchée (Uarc) de la tension d'arc entre le tube contact ou l'électrode de soudage et au moins une pièce à souder à partir d'une mesure de la tension (Uposte) délivrée par un générateur de courant de soudage à l'arc comprenant un circuit électrique et alimentant le tube contact et/ou l'électrode de soudage, dans lequel on procède selon les étapes de: a) mesure de la tension (Uposte) délivrée par le générateur de courant, b) mesure de l'intensité (I) du courant circulant dans le circuit électrique du générateur, c) calcul du produit (R x I) o I est l'intensité déterminée à l'étape b) et R est la 10 résistance du circuit de soudage, d) calcul du produit (L x dI/dt) o I est l'intensité du courant dans le circuit de soudage et dI/dt est la dérivée de l'intensité déterminée à l'étape b) sur une durée dt, et L est l'inductance du circuit, de préférence externe au poste, e) détermination d'une valeur approchée (Uarc) de la tension d'arc à partir des 15 valeurs obtenues aux étapes a) c) et d), et en appliquant la relation suivante Uarc = Uposte - (R x I) (L x dI/dt) La résistance (R) du circuit de soudage utilisée à l'étape c) est déterminée, via une phase de calibrage classique, par envoi d'un courant d'intensité constante connue, par exemple 100 A, mise en court-circuit du tube contact par lequel passe et/ou est 2 0 maintenue l'électrode de soudage en contact électrique avec au moins une des pièces à souder, mesure de la tension U résultante et calcul de la résistance R du circuit en utilisant la relation: R = U/I. The solution of the invention is then a method for determining an approximate value (Uarc) of the arc voltage between the contact tube or the welding electrode and at least one part to be welded from a measurement of the voltage. (Uposte) delivered by an arc welding current generator comprising an electrical circuit and supplying the contact tube and / or the welding electrode, in which the following steps are carried out: a) voltage measurement (Uposte ) delivered by the current generator, b) measurement of the intensity (I) of the current flowing in the electrical circuit of the generator, c) calculation of the product (R x I) o I is the intensity determined in step b ) and R is the resistance of the welding circuit, d) calculation of the product (L x dI / dt) where I is the intensity of the current in the welding circuit and dI / dt is the derivative of the intensity determined at step b) over a period dt, and L is the inductance of the circuit, preferably external to the station, e) d determination of an approximate value (Uarc) of the arc voltage from the 15 values obtained in steps a) c) and d), and by applying the following relation Uarc = Uposte - (R x I) (L x dI / dt) The resistance (R) of the welding circuit used in step c) is determined, via a conventional calibration phase, by sending a current of known constant intensity, for example 100 A, short-circuited circuit of the contact tip through which the welding electrode passes and / or is kept in electrical contact with at least one of the parts to be welded, measurement of the resulting voltage U and calculation of the resistance R of the circuit using the relation: R = U / I.
L'inductance L du circuit de soudage considéré utilisée à l'étape d) est également déterminée, via une phase de calibrage classique, en imposant d'abord via 25 l'onduleur, une tension de sortie faible, par exemple 5 ou 10 V, aux bornes de sortie du générateur, puis en mesurant le temps (dt) nécessaire à la montée (dI) de l'intensité depuis une première valeur de courant, par exemple de O à 30 A, à une seconde valeur de courant plus élevée, par exemple 50 ou 100 A, avec mise en contact, là encore, du tube contact avec au moins une des pièces à souder. Le calcul de l'inductance L du 30 circuit se fait alors par application de la relation: L = U / (dI/dt). The inductance L of the welding circuit considered used in step d) is also determined, via a conventional calibration phase, by first imposing via the inverter, a low output voltage, for example 5 or 10 V , at the generator output terminals, then by measuring the time (dt) necessary for the rise (dI) of the current from a first current value, for example from 0 to 30 A, to a second higher current value , for example 50 or 100 A, again bringing the contact tube into contact with at least one of the parts to be welded. The inductance L of the circuit is then calculated by applying the relation: L = U / (dI / dt).
Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes: - à l'étape a), la mesure de la tension (Up,,t,) est opérée aux bornes de sortie du générateur de courant. Depending on the case, the method of the invention may include one or more of the following technical characteristics: - in step a), the measurement of the voltage (Up ,, t,) is carried out at the output terminals of the generator current.
- subséquemment à la mesure de la tension (Uposte) de l'étape a), on effectue une mise à l'échelle de la valeur de tension (Uposte) mesurée à ladite étape a), de préférence la valeur de tension (Uposte) mesurée est mise à l'échelle 1/10e. - subsequent to the measurement of the voltage (Uposte) of step a), a scaling is made of the voltage value (Uposte) measured in said step a), preferably the voltage value (Uposte) measured is scaled 1 / 10th.
- il comporte une étape d'affichage de la valeur approchée (Uarc) de la tension d'arc déterminée à l'étape e). La valeur de tension Uarc ainsi déterminée est utilisée poiqr réguler le procédé de soudage et/ou afficher la tension réelle aux bornes car Uarc est plus représentative de ce qui se passe physiquement au niveau de l'arc l longueur d'arc (en V), détection du court-circuit L'invention porte aussi sur un dispositif pour déterminer une valeur approchée (Uarc) de la tension d'arc entre le tube contact ou l'électrode de soudage et au moins une pièce à souder à partir d'une mesure de la tension (Uposte) délivrée par un générateur de courant de soudage à l'arc comprenant un circuit électrique et alimentant le tube contact et/ou l'électrode de soudage, comprenant: - des moyens de mesure de tension permettant de mesurer la tension (Uposte) 10 délivrée par le générateur de courant, - des moyens de mesure d'intensité permettant de l'intensité (I) du courant circulant dans le circuit électrique du générateur, - des moyens de calcul coopérant avec les moyens de mesure de tension et les moyens de mesure d'intensité de manière à permettre de: 15. calculer le produit (R x I) o I est l'intensité déterminée à l'étape b) et R est la résistance du circuit de soudage externe au poste, calculer le produit (L x dI/dt) o I est l'intensité du courant dans le circuit de soudage et dI/dt est la dérivée de l'intensité déterminée à l'étape b) sur une durée dt, et L est l'inductance du circuit, de préférence externe au poste, et 20. déterminer une valeur approchée (Uarc) de la tension d'arc à partir des valeurs obtenues aux étapes a) c) et d), et en appliquant la relation suivante Uarc = Uposte - (R x I) - (L x dI/dt) Selon le cas, le dispositif de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes: - les moyens de calcul comprennent au moins un moyen multiplicateur, au moins un moyen soustracteur et au moins un moyen dérivateur, de préférence deux multiplicateurs, deux soustracteurs et un dérivateur. Ce principe est déclinable en analogique et en numérique. - It includes a step of displaying the approximate value (Uarc) of the arc voltage determined in step e). The voltage value Uarc thus determined is used to regulate the welding process and / or display the actual voltage at the terminals because Uarc is more representative of what is physically happening at the arc l arc length (in V) , short-circuit detection The invention also relates to a device for determining an approximate value (Uarc) of the arc voltage between the contact tube or the welding electrode and at least one part to be welded from a measurement of the voltage (Uposte) delivered by an arc welding current generator comprising an electrical circuit and supplying the contact tube and / or the welding electrode, comprising: - voltage measurement means making it possible to measure the voltage (Uposte) 10 delivered by the current generator, - intensity measurement means allowing the intensity (I) of the current flowing in the electric circuit of the generator, - calculation means cooperating with the measurement means voltage and the intensity measurement means so as to make it possible to: 15. calculate the product (R x I) o I is the intensity determined in step b) and R is the resistance of the external welding circuit at item, calculate the product (L x dI / dt) where I is the intensity of the current in the welding circuit and dI / dt is the derivative of the intensity determined in step b) over a period of dt, and L is the inductance of the circuit, preferably external to the station, and 20. determine an approximate value (Uarc) of the arc voltage from the values obtained in steps a) c) and d), and by applying the following relation Uarc = Uposte - (R x I) - (L x dI / dt) Depending on the case, the device of the invention can include one or more of the following technical characteristics: - the calculation means comprise at least one multiplier means , at least one subtractor means and at least one diverter means, preferably two multipliers, two subtractors and a diverter r. This principle can be applied to analog and digital.
- il comporte des moyens d'affichage permettant d'afficher la valeur approchée 30 (Uarc) de la tension d'arc déterminée par les moyens de calcul. - It includes display means for displaying the approximate value 30 (Uarc) of the arc voltage determined by the calculation means.
- il comporte une électronique à microcontrôleur permettant de déterminer la valeur d'inductance (L) et/ou la résistance (R) du circuit de soudage lors d'une phase de calibration. - It includes microcontroller electronics making it possible to determine the inductance value (L) and / or the resistance (R) of the welding circuit during a calibration phase.
L'invention concerne aussi un générateur de courant de soudage comprenant un 3 5 tel dispositif. The invention also relates to a welding current generator comprising such a device.
L'idée à la base de l'invention est donc d'utiliser des circuits électroniques pour assurer une reproductibilité optimale des résultats soudage quelle que soit la configuration du circuit de soudage. The idea underlying the invention is therefore to use electronic circuits to ensure optimum reproducibility of the welding results regardless of the configuration of the welding circuit.
La méthode proposée consiste à identifier la valeur de la résistance et de l'inductance du circuit de soudage lors d'une phase de calibration. Pour une tension réduite imposée en sortie du poste (par ex. 5 à 10 V), le tube contact est mis en court circuit avec la pièce, le courant augmente alors linéairement avec un di/dt réduit de qui permet d'obtenir une mesure précise (du temps) lorsque le courant atteint une valeur de à 100 A. Le courant est alors régulé et la mesure de tension permet de déterminer la résistance du circuit de soudage. The proposed method consists of identifying the value of the resistance and inductance of the welding circuit during a calibration phase. For a reduced voltage imposed at the output of the station (eg 5 to 10 V), the contact tip is short-circuited with the workpiece, the current then increases linearly with a reduced di / dt of which makes it possible to obtain a measurement precise (time) when the current reaches a value of at 100 A. The current is then regulated and the voltage measurement makes it possible to determine the resistance of the welding circuit.
La tension d'arc réelle approchée (tube contact/pièce) est alors déterminée en soudage à partir de la relation: Uarc = Uposte - RI Ldl/dt; c'est un circuit électronique 10 qui remplit cette fonction. The approximate actual arc voltage (contact tube / workpiece) is then determined in welding from the relationship: Uarc = Uposte - RI Ldl / dt; it is an electronic circuit 10 which fulfills this function.
Cette méthode est particulièrement performante car comme l'influence de l'inductance du circuit de soudage est compensée, l'image de la tension est correcte y compris pendant les transitoires (en pulsé), ce qui permet de travailler plus facilement avec des électroniques de régulation analogique (à moins de mettre en oeuvre des 15 échantillonneurs bloqueur ou une électronique numérique) et de ne pas perturber les détections de transitoire arc/court-circuit ou court-circuit/arc. This method is particularly effective because as the influence of the inductance of the welding circuit is compensated, the image of the voltage is correct including during transients (in pulsed), which makes it easier to work with electronic analog regulation (unless using blocking samplers or digital electronics) and not disturbing the transient arc / short-circuit or short-circuit / arc detections.
Cette méthode implique que si la configuration du circuit de soudage change une nouvelle phase de calibration soit effectuée. This method implies that if the configuration of the welding circuit changes a new calibration phase is performed.
L'invention présente aussi les avantages de permettre d'avoir en soudage des 20 mesures courant et tension plus proches de celles du pré-affichage, d'une régulation de partie terminale plus fine, et d'une régulation plus fine du procédé (détection intempestive de court-circuits). The invention also has the advantages of making it possible to have current and voltage measurements closer to those of the pre-display in welding, finer regulation of the terminal part, and finer regulation of the process (detection untimely short circuits).
A noter que l'influence de l'inductance du circuit de soudage peut être également compensée en ajoutant une fraction (valeur >1 ou 1<) de la tension présente aux 2 5 bornes de la self du poste en opposition avec la mesure de tension au niveau du poste. Note that the influence of the inductance of the welding circuit can also be compensated by adding a fraction (value> 1 or 1 <) of the voltage present at the 2 5 terminals of the inductor of the station in opposition to the voltage measurement. at the post level.
L'invention va être mieux comprise grâce aux explications qui vont suivre, lesquelles sont données en références aux figures annexées. The invention will be better understood from the explanations which follow, which are given with reference to the appended figures.
La figure 1 représente un schéma d'un poste de soudage 10 dont les bornes de sortie 11, 12 sont " reliées " à un circuit électrique 13 alimentant 13a, le tube contact 14 30 d'une torche de soudage à l'arc électrique, ledit circuit étant relié 13b, d'autre part, à l'une des pièces 15 à souder. FIG. 1 represents a diagram of a welding station 10 whose output terminals 11, 12 are "connected" to an electrical circuit 13 supplying 13a, the contact tube 14 30 of an electric arc welding torch, said circuit being connected 13b, on the other hand, to one of the parts 15 to be welded.
Sur la branche 13a du circuit 13, on a présenté la résistance R du circuit de soudage, qui est en fait une résistance répartie tout au long du circuit de soudage externe au poste, ainsi que l'inductance L du circuit, de la torche de soudage, du câble 35 de masse et du faisceau de câbles électriques reliant le poste 10 à la torche munie du tube contact 14. On branch 13a of circuit 13, the resistance R of the welding circuit is presented, which is in fact a resistance distributed throughout the welding circuit external to the station, as well as the inductance L of the circuit, of the torch of welding, of the ground cable 35 and of the bundle of electric cables connecting the station 10 to the torch provided with the contact tube 14.
Comme expliqué ci-dessus, les valeurs de résistance R et d'inductance L peuvent être déterminées facilement via une phase de calibration. As explained above, the resistance R and inductance L values can be easily determined via a calibration phase.
Selon l'invention, en connaissant ces valeurs de résistance R et d'inductance L, il est désormais possible de déterminer une valeur approchée de la tension d'arc réelle (Uarc) entre l'électrode et les pièces 15 à souder. According to the invention, by knowing these resistance R and inductance L values, it is now possible to determine an approximate value of the real arc voltage (Uarc) between the electrode and the parts to be welded.
Pour ce faire, il convient de mesurer la tension au poste 10 (Uposte) et l'intensité du courant (I) du circuit 13. To do this, it is necessary to measure the voltage at station 10 (Uposte) and the current intensity (I) of circuit 13.
Ensuite, à partir de toutes ces valeurs, on détermine la valeur de la tension d'arc au moyen de moyens de calcul adaptées en utilisant les relations données ci-avant. Then, from all these values, the value of the arc voltage is determined by means of suitable calculation means using the relationships given above.
La figure 3 est un schéma possible d'un système selon l'invention permettant de bien comprendre comment se fait cette détermination de la tension d'arc (Uarc). FIG. 3 is a possible diagram of a system according to the invention allowing a good understanding of how this determination of the arc voltage (Uarc) is made.
Tout d'abord, on mesure 1,2 la tension au poste (Uposte) et le courant I dans le circuit. La valeur de tension (poste) est ensuite mise à l'échelle 1/10e (en 3). En parallèle, la valeur d'intensité I est multipliée (produit R.I.) au sein d'un multiplicateur 6 par la valeur de résistance R du circuit qui est transmise au multiplicateur 6 sous forme d'un signal émanant d'un micro-contrôleur 9. Par ailleurs, le micro- contrôleur 9 fournit 15 aussi un signal représentatif de l'inductance L du circuit de manière à permettre le calcul du produit L dI/dt; la dérivée dI/dt étant obtenue via un dérivateur 8. First, we measure 1.2 the voltage at the station (Uposte) and the current I in the circuit. The voltage value (item) is then scaled 1 / 10th (at 3). In parallel, the intensity value I is multiplied (product RI) within a multiplier 6 by the resistance value R of the circuit which is transmitted to the multiplier 6 in the form of a signal from a microcontroller 9 Furthermore, the microcontroller 9 also supplies a signal representative of the inductance L of the circuit so as to allow the calculation of the product L dI / dt; the derivative dI / dt being obtained via a derivative 8.
La valeur approchée de la tension d'arc (Uarc) peut alors être déterminée (en 5) en déduisant les produits R x I et L x dI/dt de la valeur de tension au poste (Up,,te) mesurée. The approximate value of the arc voltage (Uarc) can then be determined (in 5) by deducting the products R x I and L x dI / dt from the voltage value at the station (Up ,, te) measured.
Le micro-contrôleur 9 permet, en outre, une mise à l'échelle des signaux R et L en fonction des gradients sur les mesures du courant et de tension. The microcontroller 9 also makes it possible to scale the R and L signals as a function of the gradients on the current and voltage measurements.
Les figures 2a et 2b schématisent, respectivement, les courbes de courant (I) et de tension (Uarc) d'arc au cours du temps (T). Figures 2a and 2b show, respectively, the current (I) and voltage (Uarc) arc curves over time (T).
Plus précisément, la Figure 2a représente l'évolution du courant dans le circuit de 25 soudage dans le cas d'un soudage en procédé puisé, et sur la Figure 2b, on voit l'évolution de la tension aux bornes du poste Uposte (courbe en traits pointillés), lorsqu'on souhaite obtenir une variation de courant rapide dans le circuit de soudage, alors que la tension Uarc (courbe en trait plein) est celle réellement présente entre le tube contact et la pièce. More precisely, FIG. 2a represents the evolution of the current in the welding circuit in the case of a welding in pulsed process, and in FIG. 2b, one sees the evolution of the voltage across the terminals of the post station (curve in dotted lines), when it is desired to obtain a rapid current variation in the welding circuit, while the voltage Uarc (curve in solid line) is that actually present between the contact tube and the workpiece.
L'écart entre les deux courbes est fonction de la valeur de la résistance R lorsque le courant est constant et de l'inductance L lorsque le courant subit des variations. The difference between the two curves is a function of the value of the resistance R when the current is constant and of the inductance L when the current undergoes variations.
Ces figures 2 a et 2b permettent de mettre en évidence et comprendre que si l'on se sert de la tension en période de pulsation (pulse) pour réguler le procédé, alors la résistance R introduit une erreur sur la mesure de la tension réelle de l'arc et lors des 35 variations du courant, l'inductance L peut aussi provoquer des détections intempestives de court-circuit et venir ainsi perturber les mesures faites par les filtres de mesure de tension. These FIGS. 2 a and 2b make it possible to highlight and understand that if the voltage in the period of pulsation (pulse) is used to regulate the process, then the resistance R introduces an error on the measurement of the actual voltage of the arc and during the variations of the current, the inductance L can also cause untimely short-circuit detections and thus disturb the measurements made by the voltage measurement filters.
La présente invention permet de résoudre ces problèmes. The present invention solves these problems.
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