SE520140C2 - Metod och anordning vid bågsvetsning samt användning, datorprogramprodukt och datorläsbart medium - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 520 140 genom att använda åtminstone en svetsparameter för justering av svetsutrustningen.

Uppfinningen hänför sig vidare till användningar av metoder och en datorprogramprodukt enligt bifogade patentkrav.

När arbetsstycken sammanfogas genom bàgsvetsning beror kvaliteten på svetsfogarna i hög grad på inställda parametrar under svetsoperationen. Exempel på dessa svetsparametrar är svetsström, svetsspänning, typ av skyddsgas, skyddsgasflödes- hastighet, svetshastighet, svetsvinkel, e1ektrod(tråd)utstick, trådmatningshastighet, och andra egenskaper hos svetstråden och arbetsstycket, såsom dimensioner och material. Dessa svetsparametrar växelverkar med varandra i en svetsprocess på ett komplext sätt och påverkar egenskaperna, dvs geometrin eller typen av svets, metallurgi och den mekaniska styrkan av svetsen resulterande från svetsoperationen. Närmare bestämt beror kvaliteten av svetsfogen starkt på rådande typ av metalltransport under svetsningen. Med andra ord, sättet som metall transporteras från trådspetsen (till exempel anoden) till arbetsstycket (till exempel katoden) under svetsningen har en mycket stark effekt på de slutliga egenskaperna och kvaliteten hos svetsfogen.

Det finns naturligtvis ett behov av att veta hur olika uppsättningar av de reglerbara parametrarna kommer att påverka egenskaperna av svetsfogen, så att parametrarna kan justeras på ett sätt som resulterar i den önskade svetsen. Ett sätt är att försöka prediktera metalltransporttypen baserad på kunskap om påverkan av de olika parametrarna. Enligt teknikens ståndpunkt fastställes emellertid metalltransport- typen huvudsakligen genom empiriska metoder. Metall- transporttypen kan identifieras genom ljudet som genereras av svetsprocessen av personer med mycket lång erfarenhet i bàgsvetsning. Inspektion av svetsfogen efter avslutandet av svetsoperationen kan också ge ledtrådar till vilken metall- 10 15 20 25 30 35 520 140 *'=ï"=°-=' z"z”I=. i: :qw f. f. : transporttyp som förelåg under svetsoperationen. Således, hitintills, framskaffas inställningarna av viktiga svetsprocess- parametrar som används i robotbågsvetsning experimentellt genom “trial-and-error”-metoden för varje enskild svetsuppgift eller svetsförhållande, vilket är både tidsödande och kostsamt.

Till exempel, i det fall parametrar används som resulterar i en oönskad metallöverföringstyp, kan svetsfogen bli av dålig kvalitet och arbetsstycket kan förstöras.

En anledning till bristen på kunskap om hur svetsparamet- rarna påverkar svetsprocessen i allmänhet, och i synnerhet ljusbågen, och om relationerna mellan de använda svets- parametrarna och kvaliteten av svetsfogen, är svårigheten att göra mätningar på ljusbågen, eller i närheten av ljusbågen, och i närheten av ljusbågsregioner tätt intill tråden och arbets- stycket. Sålunda, som en oönskad konsekvens är det mycket svårt att designa ett kontrollsystem baserat på direkta mätningar av ljusbågsparametrarna för styrning av en bågsvetsutrustning. Faktum år att automatiserad- eller robotbågsvetsning används i väldigt få bågsvetsnings- tillämpningar runtom i världen idag, eftersom svårigheten i att prediktera resultatet av svetsoperationen och egenskaperna av svetsprocessen associerade därmed för en given uppsättning av svetsparametrar, tillsammans med de proportionellt små serierna av arbetsstycken, gör det mer kostnadseffektivt att utföra arbetet manuellt av yrkesmän skickliga i svetsning.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett första ändamål med uppfinningen år att tillhandahålla en metod för styrning av en bågsvetsutrustning, vilken metod möjliggör att bågsvetsutrustningen kan styras under svets- operationen genom justering av åtminstone en svetsparameter bestämd utan behov av mätningar av svetsprocessen eller upprepade svetsexperiment före svetsningen. 10 15 20 25 30 35 520 140 æïfiftïk Det första ändamålet uppnås enligt uppfinningen genom att tillhandahålla en metod, av det inledningsvis angivna slaget, vilken innefattar stegen av att: - indela svetsprocessen i åtminstone två separata delar, varav åtminstone en del representerar ljusbågen eller en andel därav, i den teoretiska modellen, - representera var och en av nämnda åtminstone två svetsprocessdelar och svetsparametern/parametrarna associerade därmed genom en modellkomponent, - inmata modellkomponenterna och en modell av spänningskälla i en modell av en elektrisk krets, och - beräkna åtminstone en modellparameter av den elektriska kretsen relaterad till nämnda åtminstone en svetsparameter från modellen av den elektriska kretsen.

Genom en sådan metod är det möjligt att bestämma åtminstone ett svetsparametervärde, såsom svetsströmmen eller svetsspänning, trädmatningshastigheten, trådutsticket etc, och att använda detta svetsparametervärde för styrning av ljusbàgsvetsutrustningen i enlighet med rådande förhållanden för att erhålla en svets med önskade egenskaper.

Ett andra ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla en metod för simulering av en bågsvetsprocess utan_behov av mätningar av den motsvarande verkliga svetsprocessen eller upprepade svetsexperiment.

Det andra ändamålet uppnås enligt uppfinningen genom att tillhandahålla en metod, av det inledningsvis angivna slaget, vilken innefattar stegen av att: - indela svetsprocessen i åtminstone två separata delar, varav åtminstone en del representerar ljusbågen eller en andel därav, i den teoretiska modellen, - representera var och en av nämnda åtminstone två svetsprocessdelar och svetsparametern/parametrarna associerade därmed genom en modellkomponent, 10 15 20 25 30 35 520 140 , . . . , , . . . . . . - inmata modellkomponenterna och en modell av spännings- källa i en modell av en elektrisk krets, och - beräkna åtminstone en modellparameter av den elektriska kretsen relaterad till nämnda åtminstone en svetsparameter från modellen av den elektriska kretsen.

Genom denna simuleringsmetoden är det möjligt att erhålla åtminstone ett svetsparametervårde, och/eller den föreliggande metalltransporttypen för en given uppsättning av andra svets- parametrar i simuleringen. Simuleringsmetoden kan till exempel användas för att förstå och designa verkliga svets- processer och för grundinställningar av svetsparametrar hos bågsvetsutrustning i olika svetsoperationer.

Ett tredje ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla en metod för prediktering av kvaliteten av en svets erhållen från en bågsvetsoperation utan behov av upprepade svetsexperiment.

Det tredje ändamålet uppnås enligt uppfinningen genom att tillhandahålla en metod, av det inledningsvis angivna slaget, vilken innefattar stegen av att: - indela svetsprocessen i åtminstone två separata delar, varav åtminstone en del representerar ljusbågen eller en andel därav, i den teoretiska modellen, - representera var och en av nämnda åtminstone två svets- processdelar och svetsparametern/parametrarna associerade därmed genom en modellkomponent, - inmata modellkomponenterna och en modell av spännings- kålla i en modell av en elektrisk krets, och - beräkna åtminstone en modellparameter av den elektriska kretsen relaterad till nämnda åtminstone en egenskap hos svetsen, från modellen av den elektriska kretsen.

Genom en sådan metod är det möjligt att prediktera en eller flera mekaniska egenskaper av en svets som resulterar från en 10 15 20 25 30 35 520 140 6 bågsvetsoperation genom att bestämma en eller flera svets- parametrar erforderliga för den önskade kvaliteten, och använda denna information i verkliga svetsoperationer. Det är också möjligt att använda metoden för prediktering av kvaliteten av en svets för en given uppsättning svetspara- metrar såväl som för bestämmande av en eller flera svets- parametrar erforderliga för erhållande av vissa mekaniska egenskaper hos svetsen.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar en eller flera av nämnda metoder steget av att: - indela svetsprocessen så att interagerande regiondel ljusbåge-tråd av svetsprocessen representeras separat genom en av nämnda modellkomponenter i modellen av den elektriska kretsen. Genom en sådan metod, tillsammans med en lämplig fysikalisk modell, erhålles viktig information, eftersom det är möjligt att ta hänsyn till viktiga faktorer i svetsprocessen, såsom spänningsfallet över regionen nära anoden och vårmeflödet från ljusbåge till anod, för bestämmande av nämnda åtminstone ett svetsparametervärde. I den inter- agerande regionen ljusbåge-tråd av svetsprocessen, är stora gradienter av olika storheter, såsom temperatur och partikel- koncentration, närvarande, och spänningsfallet in den här regionen år mycket stort. Denna region ger således ett viktigt bidrag till karakteristikor av svetsprocessen.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar en eller flera av nämnda metoder steget av att: - indela svetsprocessen så att interagerande regiondel ljusbåge-arbetsstycke av svetsprocessen representeras separat genom en av nämnda modellkomponenter i modellen av den elektriska kretsen. Genom en sådan metod, tillsammans med en lämplig fysikalisk modell, erhålles viktig information, eftersom det är möjligt att ta hänsyn till viktiga faktorer i svetsprocessen, såsom spänningsfallet över regionen nåra katoden och värmeflödet från ljusbåge till katod, för 10 15 20 25 30 35 520 140 7 bestämmande av nämnda åtminstone ett svetsparametervärde.

I den interagerande regiondelen ljusbåge-arbetsstycke av svetsprocessen är stora gradienter av olika storheter, såsom temperatur och partikelkoncentration, närvarande, och spänningsfallet in den här regionen är mycket stort. Denna region ger således ett viktigt bidrag till karakteristikor av svetsprocessen.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar en eller flera av nämnda metoder steget av att: - indela svetsprocessen så att ljusbågsregiondelen av svetsprocessen representeras separat genom en av nämnda modellkomponenter i modellen av den elektriska kretsen.

Genom en sådan metod och särskilt tillsammans med en utföringsform innefattande steget av att: - bestämma nämnda modellkomponent som representerar ljusbågsregiondelen med hjälp av information erhållen genom beräkningar från en fysikalisk modell av ljusbägskolumn- regiondelen av svetsprocessen, varvid viktig information erhålles, såsom medeltemperatur av ljusbäge, temperatur nära tråden, temperatur nära arbetsstycket, ljusbågsradie och ström-spänningkarakteristikor för ljusbåge, och det är även möjligt att ta hänsyn till de termofysikaliska egenskaperna av skyddsgasen närvarande i ljusbågsregionen för bestämmande av nämnda åtminstone ett svetsparametervärde. Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar en eller flera av nämnda metoder stegen av att: - bestämma nämnda modellkomponent som representerar ljusbågsregiondelen med hjälp av information erhållen genom beräkningar från en fysikalisk modell av den interagerande regiondelen ljusbáge-tråd och/eller av den interagerande regiondelen ljusbäge-arbetsstycke av svetsprocessen, varvid viktig information erhålles, eftersom det är möjligt att ta hänsyn till viktiga faktorer i svetsprocessen, såsom spännings- fallet över regionen nära anod/katod och värmeflödet från ljusbäge till anod/katod, för bestämmande av nämnda 10 15 20 25 30 35 520 14% åtminstone ett svetsparametervärde. I den interagerande regiondelen ljusbåge-tråd och i den interagerande regiondelen ljusbäge-arbetsstycke av svetsprocessen, är stora gradienter av olika storheter, såsom temperatur och partikelkoncentration, närvarande, och spänningsfallet i dessa områden är mycket stort. Dessa regioner ger således ett viktigt bidrag till karakteristikor av svetsprocessen.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar en eller flera av nämnda metoder steget av att: - bestämma nämnda modellkomponent som representerar ljusbågsregiondelen med hjälp av nämnda fysikaliska modell beskrivande ljusbågen genom åtminstone en ekvation oberoende av ljusbågens utsträckning i rummet. Genom en sådan metod, och särskilt tillsammans med en utföringsform innefattande steget av att: - bestämma nämnda modellkomponent som representerar ljusbågsregiondelen med hjälp av nämnda fysikaliska modell beskrivande ljusbågen genom nämnda åtminstone en ekvation som enbart beror av tiden, kan modellkomponenten och således nämnda åtminstone ett svetsparametervärde snabbt bestämmas och med förhållandevis kort datorberäkningstid, vilket gör metoden lämplig att användas för till exempel styrning av en bågsvetsutrustning on-line.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar en eller flera av nämnda metoder steget av att: - indela svetsprocessen så att regiondelen ljusbågskolumn av svetsprocessen representeras separat genom en av nämnda modellkomponenter i modellen av den elektriska kretsen.

Genom en sådan metod, tillsammans med en lämplig fysikalisk modell, erhålles viktig information, såsom medeltemperatur av ljusbåge, temperatur nära träden, temperatur nära arbets- stycket, ljusbågsradie och ström-spänningskarakteristikor för ljusbåge, och det är även möjligt att ta hänsyn till de termo- fysikaliska egenskaperna hos skyddsgasen närvarande i 10 15 20 25 30 35 520 'llšü ljusbågskolumnområdet för bestämmande av nämnda åtminstone en svetsparameter.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar en eller flera av nämnda metoder steget av att: - indela svetsprocessen så att träddelen av svetsprocessen representeras separat genom en av nämnda modellkomponenter i modellen av den elektriska kretsen.

Genom en sådan metod, tillsammans med en lämplig fysikalisk modell, erhålles viktig information, såsom metalltransport- typen, kortslutningsfrekvensen etc, och det år även möjligt att ta hänsyn till materialegenskaper hos tråden för bestämmande av värdet av nämnda åtminstone en svetsparameter.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar nämnda metoder steget av att: - indela svetsprocessen så att arbetsstyckedelen av svetsprocessen representeras separat genom en av nämnda modellkomponenter i modellen av den elektriska kretsen.

Genom en sådan metod, tillsammans med en lämplig fysikalisk modell, erhålles information om kvalitetsegenskaper, såsom svetsfogprofil, intrångningsprofil etc, och det är även möjligt att ta hänsyn till materialegenskaperna hos arbetsstycket för bestämmande av nämnda åtminstone en svetsparameter.

Ett fjärde ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla en anordning, vilken har ett arrangemang för styrning av bågsvetsutrustningen under en svetsoperation genom att justera åtminstone en svetsparameter bestämd utan behov av mätningar av svetsprocessen eller upprepade svetsexperiment före svetsning.

Det fjärde ändamålet uppnås enligt uppfinningen genom att tillhandahålla en anordning av det inledningsvis angivna slaget. i vilket medel inkluderat i styrningsarrangemanget anpassas att använda nämnda teoretiska modell innefattande 10 15 20 25 30 35 520 140 10 åtminstone två separata delar, av vilka åtminstone en del representerar ljusbågen eller en andel därav, motsvarande olika delar av svetsprocessen, varvid varje modelldel representeras av en modellkomponent, nämnda modell- komponenter tillsammans med en modell av spänningskälla som inkluderas i en modell av den elektriska kretsen, och anpassas för att beräkna åtminstone en parameter av modellen av den elektriska kretsen relaterad till nämnda åtminstone en svetsparameter från modellen av den elektriska kretsen för nämnda styrning av nämnda element. Sålunda, genom medlet enligt uppfinningen är det möjligt att bestämma hur man ställer in åtminstone ett svetsparametervärde, såsom svetsström eller svetsspånning, trådmatningshastighet, trâdutstick etc, i syfte att optimera svetsprocessen under rådande förhållanden, och använda detta svetsparametervärde genom nämnda element för anpassning av bågsvetsutrust- ningen i enlighet med rådande förhållanden för att erhålla en svets med de önskade egenskaperna.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen, anpassas nämnda medel för att använda nämnda teoretiska modell som har interagerande regiondel ljusbåge-tråd av svetsprocessen separat representerad genom en av nämnda modellkompon- enter i modellen av den elektriska kretsen. Genom en sådan anordning, tillsammans med en lämplig fysikalisk modell, erhålles viktig information, eftersom det är möjligt att ta hänsyn till viktiga faktorer i svetsprocessen, såsom spänningsfallet över regionen nåra anoden och vårmeflödet från ljusbåge till anod, för bestämmande av åtminstone ett svetsparametervärde. I den interagerande regionen ljusbåge- tråd av svetsprocessen är stora gradienter av olika storheter, såsom temperatur och partikelkoncentration närvarande, och spänningsfallet i denna region är mycket stort. Denna region ger således ett viktigt bidrag till karakteristikorna av svetsprocessen. 10 15 20 25 30 35 520 140 1, Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen, anpassas nämnda medel för att använda nämnda teoretiska modell som har interagerande regiondel ljusbåge-arbetsstycke av svetsprocessen separat representerad genom en av nämnda modellkomponenter i modellen av den elektriska kretsen.

Genom en sådan anordning, tillsammans med en lämplig fysikalisk modell, erhålles viktig information, eftersom det är möjligt att ta hänsyn till viktiga faktorer i svets-processen, såsom spänningsfallet över regionen nära katoden och värmeflödet från ljusbåge till katod, för bestämmande av åtminstone ett svetsparametervärde. I den interagerande regionen ljusbåge-arbetsstycke är stora gradienter av olika storheter, såsom temperatur och koncentration av partiklar närvarande, och spånningsfallet i denna region är mycket stort. Denna region ger således ett viktigt bidrag till karakteristikorna av svetsprocessen.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen, anpassas nämnda medel för att använda nämnda teoretiska modell som har ljusbågsregiondelen av svetsprocessen separat representerad genom en av nämnda modellkomponenter i modellen av den elektriska kretsen. Genom en sådan anordning, och särskilt tillsammans med en utföringsform av uppfinningen i vilken medel är anpassade att använda nämnda teoretiska modell som har information erhållen genom beräkningar från en fysikalisk modell av regiondelen ljusbågskolumn av svetsprocessen och som används för bestämmande av nämnda modellkomponenter representerande ljusbågsregiondelen, erhålles viktig information såsom ljusbågsmedeltemperatur, temperatur i närheten av tråden, temperatur i närheten av arbetsstycket, ljusbågsradien och ström-spänningskarakteristikor för ljusbåge, och det är även möjligt att ta hänsyn till de termofysikaliska egenskaperna hos skyddsgasen närvarande i ljusbågsregionen för bestämmande av nämnda åtminstone en svetsparameter. 10 15 20 25 30 35 520 140 12 Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen, anpassas nämnda medel för att använda nämnda teoretiska modell som har information erhållen genom beräkningar från en fysikalisk modell av den interagerande regiondelen ljusbäge~träd och/eller den interagerande regiondelen ljusbäge-arbetsstycke av svetsprocessen och som används för bestämmande av nämnda modellkomponent representerande ljusbågsregiondelen, erhålles viktig information, eftersom det är möjligt att ta hänsyn till viktiga faktorer i svetsprocessen, såsom spänningsfallet över regionen nära anod/katod och värmeflödet från ljusbåge till anod/katod, för bestämmande av åtminstone ett svetsparametervärde. I den interagerande regionen ljusbåge-tråd och i den interagerande regionen ljusbäge-arbetsstycke av svetsprocessen, är stora gradienter av olika storheter, såsom temperatur och partikelkoncentration närvarande, och spänningsfallet i dessa regioner är mycket stort. Dessa regioner ger således ett viktigt bidrag till karakteristikorna av svetsprocessen.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen, i vilken nämnda medel anpassas för att använda nämnda modellkomponent bestämd genom nämnda fysikaliska modell som beskriver ljusbägen genom åtminstone en ekvation oberoende av ljusbågens utsträckning i rummet, och särskilt tillsammans med en utföringsform av uppfinningen i vilken nämnda medel anpassas för att använda nämnda modell- komponent bestämd med hjälp av nämnda fysikaliska modell som beskriver ljusbägen genom nämnda åtminstone en ekvation som enbart beror av tiden, kan modellkomponenten och således nämnda åtminstone ett svetsparametervärde snabbt bestämmas och med förhållandevis kort datorberäk- ningstid, vilket gör anordningen mycket lämplig att användas för styrning av en bägsvetsutrustning on-line.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen, anpassas nämnda medel för att använda nämnda teoretiska 10 15 20 25 30 35 520 140 13 modell som har regiondelen ljusbågskolumn av svetsprocessen separat representerad genom en av nämnda modellkompon- enter i modellen av den elektriska kretsen. Genom en sådan anordning, tillsammans med en lämplig fysikalisk modell, erhålles viktig information, såsom medeltemperatur av ljusbåge, temperatur nära tråden, temperatur nära arbets- stycke, ljusbågsradie och ström-spänningskarakteristikor för ljusbåge, och det är även möjligt att ta hänsyn till de termofysikaliska egenskaperna hos skyddsgasen närvarande i ljusbågskolumnomrädet för bestämmande av nämnda åtminstone en svetsparameter.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen, anpassas nämnda medel för att använda nämnda teoretiska modell som har tråddelen av svetsprocessen separat representerad genom en av nämnda modellkomponenter.

Genom en sådan anordning, tillsammans med en lämplig fysikalisk modell, erhålles viktig information, såsom metalltransporttyp, kortslutningsfrekvens etc, och det är även möjligt att ta hänsyn till materialegenskaperna hos träden för bestämmande av nämnda åtminstone en svetsparameter.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen, anpassas nämnda medel för att använda nämnda teoretiska modell som har arbetsstyckedelen av svetsprocessen separat representerad genom en av nämnda modellkomponenter.

Genom en sådan metod, tillsammans med en lämplig fysikalisk modell, erhålles viktig information om kvalitetsegenskaper, såsom svetsfogprofil, inträngningsprofil etc, och det är även möjligt att ta hänsyn till materialegenskaperna hos arbets- stycket för bestämmande av värdet av nämnda åtminstone en svetsparameter.

Uppfinningen hänför sig också till datorprogramprodukter enligt bifogade krav. Det är uppenbart att metoderna enligt uppfinningen definierade i bifogade uppsättningar av 10 15 20 25 30 35 520 140 14 metodkrav är väl lämpade för att utföras genom program- instruktioner från en processor, vilka kan effektueras av ett datorprogram.

Ytterligare fördelar och särdrag av metoderna och anord- ningen, datorprogramprodukterna, och användningarna av metoderna framgår av följande detaljerade beskrivning och de övriga bifogade kraven.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Med hänvisning till de bifogade ritningarna, följer nedan en beskrivning av föredragna utföringsformer av uppfinningen citerade som exempel.

I ritningarna är: Fig. 1 en schematisk illustration av en bàgsvetsprocess, Fig. 2 en schematisk illustration av spänningsfördelningen i gapet mellan en tråd och ett arbetsstycke i en bàgsvetsoperation, Fig. 3 en schematisk illustration av en elkretsmodell representerande en bågsvetsprocess, Fig. 4 en schematisk illustration av en anordning enligt uppfinningen och av tillämpningar av uppfinningen, Fig. 5 ett blockdiagram av en metod enligt uppfinningen, Fig. 6 ett blockdiagram av en annan metod enligt uppfinningen, Fig. 7 ett blockdiagram av en annan metod enligt uppfinningen, 10 15 20 25 30 35 520 140 .U ..., 15 Fig. 8 en schematisk illustration av en fysikalisk modell av ljusbågen, Fig. 9 en illustration av geometrin av en ljusbåge definierad i en fysikalisk modell, Fig. 10 en illustration av en fysikalisk modell av den interagerande regionen ljusbåge-tràd i en bàgsvetsprocess, Fig. 1 1 en illustration av en fysikalisk modell av den interagerande ljusbåge-arbetsstycke i en bàgsvetsprocess, Fig. 12 en illustration av energibalansen i en joniseringszon, Fig. 13 visar olika typer av svetsparametrar, Fig. 14 en schematisk definition för modellering av arbetsstycke av en horisontell-vertikal kälfog producerad av MIG/MAG-svetsning, Fig. 15 visar ett exempel av en icke-linjär regressionsmodell, och Fig. 16 och 17 är analytiska modeller av arbetsstycket.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN l denna ansökan används termen “svetsprocess" som ett generiskt begrepp av de huvuddelar som inbegripes i en bågsvetsoperation och de fysikaliska processerna associerade därmed vilka äger rum när en elektrisk ljusbåge genereras mellan en tråd (anoden) och ett arbetsstycke (katod). 10 15 20 25 30 35 520 140 16 I Fig. 1 är en bågsvetsprocess schematiskt illustrerad.

Spånningskällan 1 är kopplad till en tråd 2 och ett arbets- stycke 3 för skapandet av en sluten elektrisk krets med hjälp av en ljusbåge 4 genererad i gapet mellan tråden 2 och arbets- stycket 3 i syfte att transportera material från tråden 2 till arbetsstycket 3.

Svetsprocessen kan delas in i följande huvuddelar: tråddel 5, ljusbågsområdesdel 6 och arbetsstyckedel 7. Dessutom, kan ljusbägsregiondelen 6 delas in i underdelar, nämligen en interagerande regionsdel 8 ljusbåge-tråd, en ljusbågskolumn- regiondel 9 och en interagerande region 10 ljusbåge- arbetsstycke. Alla dessa delar bidrar till karakteristikorna av svetsprocessen och till ett visst spänningsfall i den elektriska kretsen.

I elektrodregionerna, dvs i den interagerande regiondelen 8 ljusbåge-tråd och i den interagerande regiondelen 10 ljusbåge- arbetsstycke av svetsprocessen, är emellertid spänningsfallet mycket stort jämfört med spänningsfallet i den centrala delen av ljusbågen, dvs i ljusbågsregiondelen 9. I Fig. 2 illustreras schematisk spänningsfördelningen längs ljusbågen, eller med andra ord i gapet mellan tråden 2 och arbetsstycket 3. Däri indikeras att spänningen faller stort nåra tråden och nära arbetsstycket. Detta innebär att regionerna belägna nära tråden och nåra arbetsstycket är viktiga delar i svetsprocessen och har stark inverkan på svetsfogen som resulterar från svetsoperationen.

Vidare är spänningsfördelningen i gapet mycket svårt att bestämma genom direkt mätning av ljusbågen, då däremot spånningsfallen på grund av resistanserna och induktanserna av ledningarna 11 i kretsen och av spänningskällan självt lätt bestäms genom konventionella mätningar. Sålunda, finns det ett behov av en fysikalisk modell för beskrivande av fenomenen hos ljusbågen för att prediktera beteendet av svetsprocessen. 10 15 20 25 30 35 520 140 17 Såsom redan indikerats växelverkar emellertid tråden 2 och arbetsstycket 3 starkt med ljusbågen 4 och påverkar svets- processen. Goda fysikaliska modeller av dessa delar behövs således också för att beskriva svetsprocessen i sin helhet.

Den grundläggande uppfinningstanken är att erhålla värdet av åtminstone en svetsparameter medelst en teoretisk modell och använda nämnda åtminstone en svetsparameter vid operation av en bågsvetsutrustning och/eller vid simulering av en bågsvetsprocess och/eller vid prediktering av kvaliteten av en svets erhållen från en bågsvetsoperation. Detta utförs genom indelning av svetsprocessen i delar i en teoretisk modell, och genom att låta var och en av dessa svetsprocessdelar och svetsparametrar associerade därmed representeras av en modellkomponent. Komponenterna sätts sedan in i en modell för en elektriska krets tillsammans med en modell för spânningskälla i syfte att beräkna åtminstone en modell- parameter hos den elektriska kretsen relaterad till nämnda åtminstone en svetsparameter från modellen av den elektriska kretsen. Komponenterna kan vara resisitiva och/eller induktiva komponenter, men även andra elektriska element än rena resistanser och induktorer kan inkluderas i elkrets- modellen. Dessutom kan modellkomponenterna vara kopplade i serie och/eller parallellt.

I Fig. 3 illustreras ett exempel av en elkretsmodell 12 inkluderande modellkomponenter 13 och en modellspännings- källa 14. I denna elkretsmodell 12 är tråddelen 5 represent- erad av en resistans, Rw, arbetsstyckedelen 7 av en resistans, Rwp, och ljusbågsdelen 6 är representerad av en resistans, Ra.

Förutom dessa resistanser år det nödvändigt att definiera en modellresistans Ro och en modellinduktans Lo motsvarande resistansen och induktansen av själva spänningskällan 1 och kablarna 11 i den verkliga svetsningskretsen. Kretsmodell- resistansen Ro och induktansen Lo har välkända egenskaper, eller kan väljas, och för förenkling nedan behandlas dessa som 10 15 20 25 30 35 520 140 18 .n m. .. ~..' en enda komponent (RLlfest. (I denna komponent kan också andra resistanser vara inkluderade, såsom kontaktresistans mellan tråden och kontaktmunstycket).

Fastän elkretsmodellen 12 som illustreras i Fig. 3 innefattar fyra separata komponenter: RW, Rwp, Ra och (RLhest. kan i enlighet med uppfinningen svetsprocessen delas in i två eller flera delar, men åtminstone två separata delar, av vilka åtminstone en del representerar ljusbågen eller en andel därav närvarande i svetsprocessen. I fallet med två separata modellkomponenter 13 år alla resistanser i kretsen lämpligt inkluderade i (RLlresf, med undantag av resistansen Ra från ljusbågsregiondelen 6. En högre upplösning, dvs fler modellkomponenter 13 representerande olika delar i svetsprocessen, ger naturligtvis en mer precis beskrivning av bågsvetsprocessen och också möjligheten att erhålla information om fler svetsparametrar och ta hänsyn till fler karakteristikor av svetsprocessen.

Det är emellertid också möjligt att använda olika fysikaliska modeller som representerar underdelar av en del av svets- processen, som exempelvis ljusbågsregiondelen 6, vilken är baserad på de olika delkarakteristikorna i olika regioner, till exempel den interagerande regionen 8 ljusbåge-tråd, ljusbågs- kolumnregionen 9 och/eller den interagerande regionen ljusbåge-arbetsstycke 10, vilket resulterar i en gemensam modellkomponent såsom en resistans Ra. På detta sätt kan olika delar av svetsprocessen beskrivas utan att använda en separat modellkomponent 13 för varje del. Dessutom är det också möjligt att använda indatavården från andra delar av svetsprocessen när modellkomponenten beräknas.

Genom att använda Kirchoffs spänningslagar kan åtminstone en elkretsmodellparameter beräknas från elkretsmodellen 12.

Till exempel, om spänningstillförseln 14 och de andra komponenterna 13 är kända, kan strömmen beräknas, eller 10 15 20 25 30 35 520 140 19 . . . . . » . . . .- vice versa för en given ström kan en okänd modellkomponent beräknas. Modellkomponenterna RW, Ra och Rwp i figur 3 och andra sådana komponenter kan beräknas från en eller flera av de fysikaliska modellerna av tråden, ljusbågen och arbets- stycket och deras växelverkan med varandra. Nedan ges exempel på fysikaliska modeller.

I Fig. 4 illustreras uppfinningen och några av dess tillämpningar schematiskt. Anordningen enligt uppfinningen innefattar en bågsvetsutrustning 21 att användas i en svetsoperation för skapandet av en svetsfog. Svetsnings- utrustningen 21 är lämpligtvis en automatiserad- eller robotsvetsutrustning, vilken kan justeras genom att variera åtminstone en svetsparameter, såsom svetsspänning, flödeshastighet av skyddsgasen, svetshastighet, svetsvinkel, trådutstick, trådmatningshastighet etc. Vidare, inkluderar anordningen ett arrangemang 22 för styrning av operationen av bågsvetsutrustningen 21. Styrarrangemanget 22 innefattar ett medel 23, till exempel en processor och datorprogram och därtill hörande elektriska komponenter/kretsar, anordnade att bestämma värdet av nämnda åtminstone en svetsparameter under användande av en teoretisk modell 24 av svets- processen, och ett element 25, till exempel vilken som helst styrutrustning som kan kommunicera med svetsutrustningen och nämnda medel, och således överföra en signal represent- erande svetsparametervärdet till svetsutrustningen 21 för justering av denna. Justeringen kan utföras före svetsning och/eller on-line under svetsningen. Medlet 23 är anpassat att använda nämnda teoretiska modell 24, vilken innefattar åtminstone två separata delar 26, 27, varav åtminstone en del representerar ljusbågen eller en andel därav, motsvarande olika delar av svetsprocessen. Varje modelldel 26, 27 repres- enteras av en modellkomponent 13, se också Fig. 3, och dessa modellkomponenter 13 tillsammans med modellen av spänningskällan 14 inkluderas i elkretsmodellen 12. Medlet 23 är anpassat att beräkna åtminstone en elkretsmodellparameter 10 15 20 25 30 35 520 140 20 13 frän elkretsmodellen 12, och använda värdet av denna parameter relaterad till nämnda åtminstone en svetsparameter, för nämnda styrning av svetsutrustningen 21 genom justering av nämnda åtminstone en svetsparameter av svetsprocessen med hjälp av nämnda element 25.

Såsom indikeras i Fig. 4, kan medlet 23 användas utan elementet 25 och bågsvetsutrustningen 21 för andra ändamål än direkt styrning av en bågsvetsutrustning. Sålunda, kan ett sådant medel användas för simulering 28 av någon svets- process och/eller för prediktering av kvaliteten 29 av en svets resulterande från en bägsvetsoperation.

Vidare, kan nämnda medel 23 och/eller styrarrangemanget 22 användas för att utföra någon av metoderna beskrivna häri.

I Fig. 5 illustreras ett blockdiagram av metoden för styrning av en bågsvetsutrustning som används i en svetsoperation och som är justerbar genom att variera åtminstone ett svets- parametervärde. Metoden innefattar stegen av att: bestämma 30 nämnda åtminstone ett svetsparametervärde under användning 31 av en teoretisk modell av svetsprocessen associerad med svetsoperationen; styra 32 operationen av svetsutrustningen och svetsprocessen associerad_därmed genom att använda nämnda åtminstone ett svetsparameter- värde för att reglera svetsutrustningen, varvid bestämmandet innefattar stegen av att: indela 33 svetsprocessen i åtminstone två separata delar, av vilka åtminstone en del representerar ljusbågen eller en andel därav, i den teoretiska modellen; representera 34 var och en av nämnda två svetsprocessdelar och svetsparametern/parametrarna associerade därmed genom en modellkomponent; inmata 35 modellkomponenterna och modellen av spänningskälla i en elkretsmodell; och beräkna 36 åtminstone en elkretsmodellparameter relaterad till nämnda åtminstone en svetsparameter från elkretsmodellen. 10 15 20 25 30 35 520 140 -x -m 21 I Fig. 6 illustreras ett blockdiagram av en metod för simulering av en bågsvetsprocess. Metoden innefattar stegen av att: in- mata 40 data i en teoretisk modell som representerar svetsprocessen; bestämma 41 åtminstone ett svetsparameter- värde av svetsprocesen under användande 42 av den teoretiska modellen och inmatad data i syfte att simulera 43 svets- processen, varvid bestämmandet innefattar stegen av att indela 44 svetsprocessen i åtminstone två separata delar, varav åtminstone en del representerar ljusbågen eller en andel därav i den teoretiska modellen; representera 45 var och en av nämnda två svetsprocessdelar och svetsparametern/paramet- rarna associerade därmed genom en modellkomponent; inmata 46 modellkomponenterna och en modell av en spänningskälla i en elkretsmodell; och beräkna 47 åtminstone en elkretsmodell- parameter relaterad till nämnda åtminstone en svetsparameter från elkretsmodellen.

I Fig. 7 illustreras ett blockdiagram av en metod för prediktering av kvaliteten hos en svets erhållen från en bågsvetsoperation. Metoden innefattar stegen av att: inmata 50 data i en teoretisk modell representerande svetsprocessen associerad med svetsoperationen; bestämma 51 åtminstone en egenskap hos svetsen relaterad till åtminstone ett svets- parametervärde av svetsprocessen under användande 52 av den teoretiska modellen och inmatad data, där bestämmandet innefattar stegen av att indela 53 svetsprocessen i åtminstone två separata delar, varav åtminstone en del representerar ljusbågen eller en andel därav i den teoretiska modellen; representera 54 var och en av nämnda två svetsprocessdelar och svetsparametern/parametrarna associerade därmed genom en modellkomponent; inmata 55 modellkomponenterna och modellspänningskällan i en elkretsmodell; och beräkna 56 åtminstone en elkretsmodellparameter relaterad till nämnda åtminstone en svetsparameter och till nämnda åtminstone en egenskap hos svetsen från elkretsmodellen. 10 15 20 25 30 35 *520140 i. ..- 22 Metoderna kan användas för olika ändamål såsom prediktering av metalldroppsformationen i en bågsvetsoperation för en given uppsättning av svetsparametrar; prediktering av metalltrans- porttypen i en bågsvetsoperation för en given uppsättning av svetsparametrar; beräkning av åtminstone ett svetsparameter- värde som erfordras för erhållande av en särskild metalltrans- porttyp i en svetsoperation och/eller beräkning av åtminstone ett grundinställningsvärde att användas för justering av en automatisk bågsvetsutrustning före svetsning. Predikteringen av kvaliteten kan användas till exempel för prediktering av någon mekanisk egenskap hos svetsfogen för en given indata, dvs uppsättning av svetsparametrar, eller i omvänd riktning för bestämmande av en eller flera svetsparametervärden för en given indata, dvs någon mekanisk egenskap hos svetsfogen. En viktig tillämpning av metoderna och anordningen enligt upp- finningen är predikteringen av karakteristikorna av vissa svetsprocesser, och som nämnt ovan predikteringen av rådande metalltransporttyp under en bågsvetsoperation, vilket gör det möjligt att prediktera transporttypen som funktion av en viss svetsparameter, såsom trädmatningshastighet eller ström, och således prediktera blandbågsområdet mellan de så kallade bågtyperna kortbåge och spraybåge.

I olika utföringsformer av metoderna, kan steget av att indela svetsprocessen inkludera indelandet av svetsprocessen så att den interagerande regiondelen ljusbåge-tråd och/eller ljusbägsregiondelen och/eller ljusbågkolumnsregiondelen och/eller tråddelen och/eller arbetsstyckedelen representeras separat av en av nämnda modellkomponenter 13 i elkrets- modellen 12. I utföringsformer av metoderna vilka använder en elkretsmodell 12 enligt Fig. 3, innefattar nämnda metoder stegen av att indela svetsprocessen så att var och en av ljusbägsregiondelen 6, tråddelen 5, arbetsstyckedelen 7 (och delen motsvarande (RLhest) representeras separat av en av nämnda modellkomponenter 13 i elkretsmodellen 12. 10 15 20 25 520 140 23 Dessutom, i en föredragen utföringsform, som beskrivs mer i detalj nedan, bestäms nämnda modellkomponent, Ra, som representerar ljusbägsregiondelen medelst information erhållen genom beräkning frän fysikaliska modeller av ljusbàgskolumn- delen 9, den interagerande regiondelen ljusbäge-trád 8, och den interagerande regiondelen ljusbäge-arbetsstycke 10.

I Fig. 8, 9, 10 och 11 illustreras schematiskt ett exempel av en fysikalisk modell, inkluderande undermodeller, baserade på energi, massa- och momentekvationer. Såsom indikeras i Fig. 8, tas tråden, arbetsstycket, interaktionen ljusbåge-träd och interaktionen ljusbåge-arbetsstycke i beaktande.

I Fig. 9 antages ljusbägskolumnen 60 vara en cylindrisk konduktor med en medeldiameter 61 och en övergångszon 62 för ljusbågsexpansion nära tråden 63. I Fig. 10 indelas den interagerande regiondelen ljusbåge-träd av svetsprocessen i en första zon 64 närmast tråden, kallad rymdladdningszonen, och en andra zon 65 närmast ljusbägskolumnen, kallad joniser- ingszonen, för beskrivande av egenskaperna hos zonerna genom olika fysikaliska undermodeller. Även den interagerande regiondelen ljusbäge-arbetsstycke av svetsprocessen i Fig. 1 1 är indelad i en första zon 66 närmast arbetsstycket, kallad rymdladdningszonen, och en andra zon 67 närmast ljusbàgs- kolumnen, kallad joniseringszonen, för beskrivande av egenskaperna hos zonerna genom olika fysikaliska under- modeller. Nedan följer en mer detaljerad beskrivning av möjliga fysikaliska modeller, vilka kan användas i förening med uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 520 14024 FYSIKALISKA MODELLER Ljusbàgsmodell Såsom tidigare nämnt kan svetsprocessen delas in i olika delar och ljusbågsregiondelen kan delas in i underdelar, nämligen en interagerande regiondel ljusbåge-tråd, en ljusbågkolumns- regiondel och en interagerande regiondel båge-arbetsstycke.

Ljusbågskolumnen, som beskrivs i det följande, upptar det mesta utrymmet mellan träden och arbetsstycket. I denna region, är gradienter av termodynamiska variabler, såsom temperatur och tryck, inte alltför stora och systemet är i lokal termodynamisk jämvikt.

Ljusbågsmodellen som föreslås här är baserad på energi, massa- och momentekvationer. Ljusbågsströmmen genererar Lorentz-krafter, vilka spelar en viktig roll i svetsprocessen.

Ljusbågen är vanligtvis begränsad i riktning mot trådspetsen.

Detta ger upphov till den axiella komponenten av Lorentz- kraften. Plasma accelereras därför mot arbetsstycket. De elektro-magnetiska krafterna i svetsprocessen är viktiga för såväl Stabilisering av ljusbågen, som materialtransport till arbetsstycket. För att kunna prediktera några fenomen av svetsljusbågar, erfordras termofysikaliska egenskaper av skyddsgasen i temperaturomràdet 300-30000 Kelvin. På grund av interaktioner mellan ljusbåge-träd och ljusbäge-arbets- stycke, kontamineras vanligtvis skyddsgasen genom metalliska ångor, vilket starkt påverkar ljusbågens fysikaliska egenskaper.

Strukturen för ljusbågsmodellen som här föreslås visas i Fig. 8.

Denna struktur ger möjligheten att ta hänsyn till effekterna av skyddsgasen, trådmaterialet och arbetsstycksmaterialet.

Enligt teknikens ståndpunkt, är en detaljerad tvådimensionell simulering av ljusbågen idag känd. En sådan simulering kräver emellertid läng datorberäkningstid. Detta gör det svårt att 10 15 20 25 30 520 140 25 använda ett sådant verktyg för styrning och övervakning av bågsvetsprocessen.

I denna ansökan föreslås istället en snabb ljusbägsmodell med strukturen illustrerad i Fig. 8 och 9. Modellen baseras på följande hänsynstagande: - ljusbågen är i lokal termodynamisk jämvikt, - ljusbägen antas vara en cylindrisk konduktor med en likformig temperatur och medeldiameter, - en övergängszon för ljusbågsexpansion mellan tråden och ljusbägskolumnen tas i beaktande, - ljusbàgsmedeltemperatur och diameter erhålles från ljusbågs- energibalans och Steenbecks minimumprincip. Denna princip baseras pà minimering av ljusbàgseffektförlust, - termofysikaliska egenskaper beräknas i separata moduler och kopplas till ljusbàgsmodellen, och - interaktionen ljusbàge-trâd och interaktionen ljusbåge- arbetsstycke tas i beaktande.

Energibalansen av ljusbàgen uttrycks enligt följande: LI 2 -- +(VM +V,m)l =Apv(h-h0)+ALU,ad+ QA_A + QA_K _ díssípnrion p g n Iconvekzion .målning Vllflflmvfffbffflß värrneöverföring Qßslvflflvfl 1 afwd- m. kamafazz l/wsbåse-flflvd ljwbage-kafva ljusbågskolumn där L är ljusbägens längd, I betecknar den elektriska strömmen, o avser den elektriska konduktiviteten, A är tvärsnittsarean av ljusbägskolumnen, Van and Vka är spänningsfallen i närheten av respektive anod/tràdregion och katod/arbetsstycksregion. p är gasdensiteten, h och ho är de 10 15 20 25 30 520 ggn specifika entalpierna av ljusbågen och dess omgivningar, och Urad år medelstrålningsdensiteten, vilka alla år funktioner av ljusbågstemperaturen. v betecknar medelgashastigheten.

Värmeöverföringstermerna för ljusbåge-anod QB-A och ljusbåge- katod QB-x erhålles från detaljerade fysikaliska modeller av ljusbåge-katod- och ljusbåge-anodinteraktioner.

Genom användning av Amperes lag och integrering av Navier- Stokes ekvationer för ett inkompressibelt flöde i expansions- zonen, kan en enkel ekvation för medelhastigheten härledas till: RZ v ___ Ca _1__ gå biff _1 wbågf 2/7 Rmw där Rbåge och Rtfåd är radierna av respektive ljusbågskolumn och tråd, och po år den magnetiska fältkonstanten. Konstant- erna Ca och Cb beror på anodtrådens strömdensitetsprofiler och härleds med hjälp av CFD-simuleringar (Computer Fluid Dynamics) och enkla experiment.

Ovannåmnda ekvationer tillsammans med minimering av effektförlust tillhandahåller all nödvändig information om ljusbågen, såsom medeltemperatur, radie och ström- spânningkarakter-istikor.

Fördelarna med den föreslagna ljusbågsmodellen år: - ljusbàgsmodellen kan exekveras mycket snabbt och således kan den användas som en del av en mjukvara för att utföra uppfinningen och, till exempel, användas tillsammans med en modell för ljusbåge-trådinteraktion så att droppformation och transport kan predikteras. 10 15 20 25 30 35 520 140 27 Interaktionsmodell ljusbâge-arbetsstycke Nära elektroderna, föreligger stora gradienter av temperatur och partikelkoncentration. Dessa leder till avvikelser frän termisk och kemisk jämvikt. Det är välkänt att spänningsfallen i närheten av trådregionen och i närheten av arbetsstycks- regionen är mycket stora och beroende av elektrodmaterialet och bägkolumnens plasmaegenskaper. Det är därför viktigt att ta hänsyn till fysikaliska egenskaper av fenomen nära elektroderna för prediktering av en bägsvetsprocess. I detta avsnitt presenteras modellen för interaktion mellan ljusbågen och arbetsstycket. Modellen baseras på följande: - regionen när intill arbetsstycket indelas i två zoner: joniseringszonen och rymdladdningszonen, - kollisioner mellan partiklar är försumbara i rymdladdnings- zonen, - elektroner och tunga partiklar betraktas som två fluider med olika temperaturer, - jon- och elektrondensiteter ärjämställda ijoniseringszonen, - jon- och elektrondensiteter är ej jämställda i rymdladdnings- zonen, - mekanismen för elektronemission är termofältemission, och - ekvationer beskrivande de två zonerna är integrerade över zonerna.

Indata till den interagerande regionmodellen ljusbäge-arbets- stycke är arbetsstycksmaterialet och plasmaegenskaperna i ljusbågskolumnregionen (t ex temperatur och tryck). Modellens utdata är spânningsfallet över den interagerande regionen 10 15 20 25 30 35 Å - ~ » . § . . . , , ljusbåge-arbetsstycke och vårmeflödet från arbetsstycket till ljusbågen på grund av laddade partiklar. Dessutom, finns det ett ledande vårmeflöde på grund av neutrala partiklar. Dessa data behövs i en global energibalans av ljusbågkolumnen.

Modellen år anpassad på ett sått så att den lätt kan kopplas till den ovan beskrivna ljusbågmodellen.

Fördelarna av den förslagna interagerande modellen ljusbàge- arbetsstycke är: - modellen kan kopplas till ljusbågskolumnmodellen och/eller till den interagerande regionmodellen ljusbåge-tråd och tillåter en mer komplett beskrivning av ljusbågen, - modellen ger noggranna predikteringar av vårmeflödet in i arbetsstycket, vilket år en viktig faktor som påverkar svetsens kvalitet, - modellen predikterar hastigheten av metallångor från arbetsstycket, - modellen kan exekveras mycket snabbt och således år det till exempel inte nödvändigt att minska hastigheten av svetsopera- tionen när modellen används för att styra en bågsvetsopera- tion, och ' - modellen beaktar explicit egenskaperna hos arbetsstycks- materialet, till exempel uttrådesarbetet och den termiska konduktiviteten.

För att illustrera inverkan av arbetsstycksmaterialet på bågsvetsprocessen, presenteras en sammanfattning av fysiken i det följande.

Energiflödet från plasmat till arbetsstycket ges av: 10 15 20 25 30 520 14029 q = J, = H22. + - 211,) + e(wr + 15,. - øq, + 12 (zkre + eøefl )- Jm (zkrw + eøefl. )- qvap där Je, Jem och J1 är respektive plasmaströmdensiteten av bakätspridda elektroner, strömdensiteten av emitterade elektroner och strömdensiteten av joner. TW, Te och T1 indikerar temperaturen av katodväggen, elektroner och joner. (pc och E; är spänningsfallet i rymdladdningszonen och gasjoniserings- energin. om är det effektiva utträdesarbetet, vilken definieras som skillnaden mellan medelenergin av elektroner inuti metallen och medelenergin av de emitterade elektronerna precis utanför metallen. qvap är energiflödet som bortföres genom förångningen.

Energibalansen ijoniseringszonen kan sammanfattas som visas i Fig. 12. Denna figur visar att en del av den totala effekt- densiteten, Joule-effekten, som mottages av elektrongasen, överförs till de tunga partiklarna genom elastiska och inelastiska kollisioner. Den andra delen av energin förloras genom strålning och termiskt flöde till de kalla väggarna.

Enligt tidigare undersökningar av joniseringszonen, beror de huvudsakliga förlusterna av elektronenergin på joniseringen.

Baserad på dessa resultat, kan energiförlusterna beroende pä elastiska kollisioner försummas. Energibalansen förenklas genom integrering över zonen till: 1em(2krw + .før )+ Jouze _ efiek: = 1¿,(2k7; + wc ) + @1,.E + 121kr, Den första termen på vänster sida är elektronflödet som med- föres in ijoniseringszonen genom de emitterade elektronerna som accelereras i rymdladdningszonen. Den andra termen på vänster sida representerar arbetet av det elektriska fältet över elektronerna inuti joniseringszonen. Den första termen på höger sida är energiflödet som bortföres genom elektronerna som lämnar joniseringen till rymdladdningszonen. eJiE är 10 15 20 25 520 140 30 förlusterna av elektronenergin pä grund av jonisering.

Slutligen, den sista termen på höger sida år energiflödet som bortföres genom elektroner som lämnar joniseringszonen till ljusbågskolumnen.

För att kunna prediktera beteendet av katodregionen, erfordras strömdensiteterna Je, Jam och JL Dessa strömdensiteter erhålles genom en detaljerad partikelkinetik i rymdladdnings- zonen. Här ges endast resultaten.

Jonströmdensiteten och den bakåtspridda elektronström- densiteten ges av: HT.- +T,) m, Je :gg Lknexp -Éfi 4 mne kTe Enligt mekanismen för termojonisk fâltemission, ges den emitterade elektronströmdensiteten av Richardson-Dushman J. =nme l ekvation med Schottky-korrigering: J = ”mkzemf Tzex -e “f I ovannämnda ekvation är h och me respektive Plancks konstant och elektronmassan. Det effektiva utträdesarbetet är kopplat till det elektriska fältet enligt: ø-ff von/ä där (Do, e och Ek âr uttrâdesarbetet hos arbetsstycksmaterialet, den dielektriska konstanten och den elektriska fältstyrkan vid katodväggen. 10 15 20 25 30 520 140 31 Elektron- och jondensiteterna vid kanten av rymdladdnings- zonen kan beräknas med god approximation enligt: där 0,8 Eïïi kT 1/2 a: ---" 2 miDiOkrneq D10 och kr är den jon-neutrala diffusionskoefficienten högst upp vid jämviktsgränsen och rekombinationshastigheten. nio = "eo = n plasma Den presenterade uppsättningen ekvationer är sluten och kan lätt lösas för att prediktera egenskaper hos katodregionen eller egenskaper hos den interagerande regionen ljusbàge- arbetsstycke i svetsprocessen.

Intel-agerande regionmodell båge-tråd I detta avsnitt presenteras modellen för interaktion mellan ljusbågen och tråden (anodregionen). Modellen baseras på följande: - regionen nära tråden indelas i två zoner: joniseringszonen och rymdladdningszonen, ~ kollisioner mellan partiklar är försumbara i rymdladdningszonen, - elektroner och tunga partiklar betraktas som två fluider med två olika temperaturer, - densiteten av joner är mycket mindre än densiteten av elektroner i rymdladdningszonen, 10 15 20 25 30 35 520 140 32 - temperaturen av elektroner förblir konstant genom anodregionen, - spänningsfallet ijoniseringszonen år försumbar, och -ingen elektronemission från tråden antages. lndata till interaktionsregionmodellen ljusbåge-tråd år trådmaterialet och plasmaegenskaperna i ljusbågskolumn- regionen (t ex temperaturen och trycket). Utdata av modellen år spånningsfallet över interaktionsregionen ljusbåge~tråd och vårmeflödet från båge till tråd på grund av laddade partiklar.

Dessa data behövs i den globala energibalansen av ljusbågs- kolumnen. Modellen år anpassad på ett sätt så att den lått kan kopplas till ljusbågsmodellen beskriven ovan.

Fördelarna av den föreslagna interaktionsmodellen ljusbåge- tråd år: - modellen kan kopplas till ljusbågskolumnmodellen och/eller till interaktionsregionmodellen ljusbåge-arbetsstycke och tillåter en mer komplett beskrivning av ljusbågen, - modellen ger noggranna predikteringar av vårmeflödet in i tråden, vilket år en viktig faktor för beskrivandet av svetsprocessen, - modellen kan exekveras mycket snabbt och således år det till exempel inte nödvändigt att minska hastigheten av svetsoperationen når modellen används för att styra en bågsvetsoperation, och - modellen beaktar explicit egenskaperna hos trådmaterialet, till exempel uttrådesarbetet. 10 15 20 25 520 149 För att illustrera inverkan av tråden på bågsvetsprocessen, presenteras en sammanfattning av fysiken i det följande.

Det totala energiflödet från plasmat till tråden ges av förlusterna frán ljusbågen på grund av laddade partiklar, termisk ledning och strålning minus värmeeffekten som åtgår till förångning och strålning av trådspetsytan: Q = Qel + Q/wmi + Qmd _ Qei/.mid _ Qmdmid fnffglflñde ffå" llruïbållf energiflöde från Irådspetsjrtan För energiflödet av laddade partiklar, beaktas enbart elektroner, eftersom strömdensiteten av jonflödet i den interagerande regionen ljusbåge-tråd är låg jämfört med strömdensiteten av elektronflödet: - . Sk Qel = JeíJ-Te +van -i-ø) 2e Det finns energiflöde beroende på elektronernas termiska energi, elektronernas kinetiska energi till följd av elektroners acceleration i elektriskt fält och potentialenergi efter fastrans- formation på trådytan (fria att binda). je är elektronernas strömdensitet och Te är elektrontemperaturen i interaktions- regionen ljusbåge-tråd. Elektrontemperaturen sätts till medel- ljusbågstemperaturen tillhandahållen genom ljusbågsmodellen. d) är det nominella utträdesarbetet av trádytan (känd), och Van är spänningsfallet över anodregionen, vilken huvudsakligen består av spânningsfallet i rymdladdningszonen. vil!! = ødn där je erhålles från kinetik 10 15 20 25 i 520 140 34 je = je(ng9øm|) där ne är elektrondensiteten i anodregionen och beräknas genom användning av tillståndsekvationen, termodynamiska jämviktslagar och ljusbågens termodynamiska egenskaper (temperatur, tryck).

För att erhålla spänningsfallet över interaktionsregionen ljusbåge-tråd tas strömdensiteten j1 i beaktande. Följande samband kan härledes från kinetiken: ji : ji(ni'øan) där n; är jondensiteten ijoniseringszonen, vilken är ekvivalent med elektrondensiteten ne. Med kännedom om den totala strömdensiteten j: j=je+jí kan spänningsfallet över interaktionsregionen ljusbäge-tråd erhållas.

Termisk ledning från ljusbågen härrör frän temperatur- gradienten i anodregionen genom joners inverkan och värmeflöden på grund av joners och elektroners kinetiska energin i interaktionsregionen ljusbàge-träd: Q-kond = lå?- + nívihl. + nevehe Ön där v, och ve är respektive jon- och elektronhastigheterna, vilka ges av kinetik vid termodynamisk jämvikt.

Strålningseffekten från ljusbågen är fraktionen av den totala effekten som strålar via ljusbågen och när trädspetsytan: 10 15 20 25 520 140 35 Q-rad 2 gefl Oqqljfztaxbåge där ser: är en effektiv emissionskoefficient av ljusbågen, vilken kan beräknas från emissionskoefficient av ljusbågkolumnen, antagande en cylinder, gånger fraktionen av cylinderytan riktad mot tråden.

Energiflödet på grund av förångning av trådspetsytan ges av produkten av förångningshastighet och latent värme hos trådmaterialet: QevJråd = där förångningshastigheten kan uttryckas som funktion av ljusbågskolumntryck och trådspetsytans temperatur: rñ = rñ(P,T ) Energiflödet beroende på strålning från trådspetsytan ges av: QradJrâd : eaTafis Den enda återstående okända storheten år yttemperaturen av trádspetsen Tang. Denna temperatur kan erhållas från tråd- modellen. En enkel uppskattning år att den är lika med smålttemperaturen av trådmaterialet.

Den ovan presenterade uppsättningen ekvationer år sluten och kan lösas för att prediktera egenskaperna hos anodregionen eller egenskaper hos den interagerande regionen ljusbàge-tråd i svetsprocessen. 10 15 20 25 30 520 3340 Svetstràdmodell I bågsvetsprocessen. orsakar värmeöverföring från ljusbågen till tråden hastig bildning av droppar vid trädspetsen. Inverkan av avskilda och överförda droppar genom ljusbàgen till arbets- stycket kan resultera i volymdeformationer och ändringar av svetsens mekaniska egenskaper. I det följande, föreslås en modell för prediktering av massa-, värme- och impulsöver- föringen från smältande droppar in till arbetsstycket.

Formen av smält metall vid tràdspetsen påverkas genom tidsberoende krafter såsom gravitation, tröghet, ytspänning, elektromagnetisk kraft, verkan av ljusbägstryck, visköst motstånd av gasflödet. En omfattande beskrivning av termo- fysikaliska fenomen involverade i mekanismer av droppbildning kan noggrant formuleras med 2-D-datorverktyg baserade på en detaljerad analys av plasma-elektrodinteraktioner i tillstånd av lokal termodynamisk jämvikt av plasmat och laminärt flöde i berâkningsomràdet.

Beräkningarna som krävs för dessa operationer kan emellertid vara tidsödande och ej acceptabla i ett mjukvaruanvändar- gränssnitt att användas för styrning och/ eller övervakning av en svets kvalitet i en svetsoperation.

En förenklad metod att angripa problemet kan vara att beakta den endimensionella energibalansen av en träd dominerad av effekterna förångning, metalltransport från tråden, ohmsk uppvärmning i träden av ljusbågsströmmen och strömtrans- porten frän plasmat. I en kvasistabil tillståndsmod, kan den totala energibalansen av tråden skrivas som: Ev=Em =E0h+Ee då vårmeöverföringsprocesserna för integrerade värden över den totala volymen av trädutsticket definieras som: 10 15 20 25 520 1497 Ev = IqevLdS S på grund av förångningen från ytan till trådspetsen; medel E", = pvosc fm) cpdT vårmeförlusterna beroende på metalltransporten i form av droppar som avskiljer sig från trådspetsen; Eoh = I-Jšdv Vmid upphettningen i tråden genom ljusbågsströmmen, och Sk Sk E = '. V.-V +-lT +' +~ljT S e . s ze J Jfíø Ze pJd värmen Överförd från plasmat till droppen vid trådspetsen. I ovannämnda samband år Vtfàd den totala volymen av trådutsticket, S den totala externa ytan av tråden, och Sc = m2 år tvårsnitts-arean av tråden vid änden av tråden vid z=O (T=300 K) och r är dess radie. Storheterna Cp, K och p år respektive den specifika värmen, den termiska konduktiviteten och densiteten av trådmaterialet vid lokal trådtemperatur.

Tmeaei år medeldropp-temperaturen vid tiden för avskiljning, och V0 år trådmatningshastigheten. Förångningshastigheten i g-s-l vid trådspetsen betecknas qev = Pevma/4(makbTa/3)°-5 där Pev och ma år respektive ångtrycket och trådens atommassa, medan kb år Boltzmanns konstant och Ta trådytans temperatur. Övriga symboler år de följande: L, latent förångningsvårme av trådmaterialet, e, den elementära laddningen, j; jonströms- densiteten från plasmat, je elektronströmdensiteten från plasmat; den totala strömdensiteten betecknas j; Tp år temperaturen omedelbart framför tråden, q) år det nominella 10 15 20 25 520 "140 38 utträdesarbetet hos trådytan; o representerar den elektriska konduktiviteten, V1 är den första joniseringpotentialen av plasmagasen och VS spänningsfallet tvärs över mantelytan i trådregionen.

I denna approximation, är konventionell värmeledning frän plasmat genom neutrala partiklar, ledning genom änden av träden och svartkroppsstrålning försumbara, eftersom deras inverkan kan teoretiskt visas vara små jämfört med Ev, Em, Eon och EC.

Värme Överförd från plasmat till tråden kan uttryckas: s” =j,. V,.-vs får" +18 qwíklr -qwL 2e 2e p Genom att lösa den tidsberoende ekvationen för energi- konservering vid smä tidsteg, êâ+pv .a_h=í Kâï .på +L2+F pa: “az az az ze cpaz a där F är en term som avser värmetillförseln Sa från plasmat, kan trädens temperaturprofil erhållas, och följaktligen kan smältlängden vid trådspetsen beräknas som en funktion av tiden.

Metalltransporten i form av en droppe kommer inträffa när den smultna tråden när en kritisk längd Lkm för en given uppsätt- ning svetsparametrar. Beräkning av droppvolymen kan härled- as från en dynamisk behandling i tràdregionen genom använd- ning av förenklade uttryck på ytspänningar, elektromagnetiska krafter, gravitation, ljusbägstryck och visköst motståndskraft runt den smultna metallen vid trådspetsen vid varje tidsteg. 10 15 20 25 30 520 140 39 v. 11» Den initiala formen av elektroden vid en tid t=0 kan ansättas till cylindrisk med diameter lika med trädens täckt genom ett ca 0,1 cm tjockt lager av smält vätska vid trådspetsen. Initiala förhållanden ska motsvara en ljusbägsoperation med kontinu- erligt rörlig tråd av odeformerad cylindrisk form.

Indata som erfordras för trädmodellen är bägströmmen, träd- matningshastigheten, träddiametern, det initiala separations- avståndet mellan elektroderna, svetsvinkeln och karakteristikor av ljusbågen. Det senare kan tillföras modellen genom utdata från ljusbägsmodellen.

Utdata inkluderar avskiljningsfrekvensen, volymen av avskilda droppar av smält metall, medeltemperaturen i en droppe och accelerationen som underhålls av droppen i ljusbågskolumnens axel vid avskiljning. Detta resultat ska tillhandahålla inform- ation för utvärdering av svetsfogens förstärkning för en given gasbägssvetsprocess och arbetsstycksgeometri. Längden av trådutsticket och resistansen ska likaså vara tillgänglig från modellen, vilket tillåter en mer noggrann beräkning av ljus- bågslängden än frän den förenklade modellen beskriven nedan.

Som ett första steg har en förenklad modell för träden använts.

Ljusbågslängden erhålles från en balans mellan trädmatnings- hastigheten wff och trädens smälthastighet: d LHdL __w +12Ran+1åv d: d: f' óH där 1: är en tidkonstant som fördröjer ändringen av ljusbågs- längden frän ändring av värmetillförsel. Resistansen av trådutsticket Ran beräknas under antagande av en konstant trådutstickstemperatur: R = a" -j-ww-L) 10 15 20 25 30 520 140 40 där g är trädens elektriska resistivitet, AW trädens tvärsnitts- area, D avståndet mellan kontaktmunstycke och arbetsstycke.

L är ljusbàgslängden, vilken är utdata från denna modell, Effekttillförseln beaktar både ohmsk uppvärmning hos träd- utsticket och energiöverföring från ljusbåge till träd. Tråd- smältningshastigheten erhålles genom att relatera effekt- tillförseln till trådentalpin per enhetslängd SH. Det senare tar hänsyn till termisk frigörelse på grund av elektronabsorption i anoden och termisk energi som bärs av elektroner: Sk BT: 2e åV=$M+ där (han är utträdesarbetet av anodmaterialet, kB är Boltzmanns konstant, Te är elektrontemperaturen och e är elektron- laddningen.

Arbetsstycksmodellen Som del av multivariabla processer, kan automatiserad bågsvetsning definieras genom sä kallade indirekta svets- parametrar, verkande på en uppsättning materialparametrar med en resulterande uppsättning av direkta svetsparametrar.

De indirekta svetsparametrar bör väljas ändamålsenligt för givna materialparametrar. Direkta svetsparametrar ska fixeras explicit genom specifikationer av till exempel optimal svets- bredd, inträngning och utseende.

En grundläggande fråga att beakta avseende styrning för båg- svetsning är att bestämma vad det är som ska styras och vilka parametrar som är tillgängliga att styra aktioner i processen.

Se Fig. 13 och14. 10 15 20 25 30 35 520 140 41 . , « w . . . . - .f Funktionaliteter för kvalitetskontroll som ska implementeras i den föreslagna mjukvaran kan bestå av: - övervakning av processtabilitet, dvs höghastighetsföljning genom t ex statistisk analys av tidsdomän baserad på uppmätta och predikterade indirekta medelvärden av svetsparametrar, till exempel ljusbågsspänning eller strömintensitet. Det kan tillåta detektering av störande indata (oregelbundenhet i avståndet pistol-till-arbetsstycke, otillräcklig skyddsgastäckning etc).

Visionsensorer och ljudsonder kan också användas med fördel, - kvalitetssäkring av geometrin och mekaniska egenskaper av svetsfogar (direkta svetsparametrar) genom inställning av processparametrar från snabba avancerade fysikaliska modeller baserade på materialparametrar och indirekta svetsparametrar.

Modellerna kan inkludera detaljerade interaktioner mellan ljusbåge och arbetsstycke från svetssmältbadfenomen (ljus- bågseffektivitet, droppövergångar, och diffusion av gas och föroreningar, etc) och mikrostrukturella kriterier (rnikrofaser, restspänning, dislokationer, etc).

En arbetsstycksmodell illustreras i Fig. 17. I praktiken, är modellering av svetsegenskaper ofta baserade på neurala nätverk tränade för en särskild geometri av svetsfogar. Neurala nätverk är parametriserade icke-linjära regressionsmodeller, se Fig. 14. De kan tillhandahålla anpassade lösningar för behand- ling av invecklade mulitvariabla system där fysikaliska modell- er är svåra att upprätta eller inte existerar. Ett program som använder neurala nätverk bör också inkludera massa-, värme-, och impulsöverföring från ljusbågen och droppövergångar in till arbetsstycket. Dessa storheter kan verkligen ha avsevärda konsekvenser på helhetsgeometrin av svetsen och dess inre kvalitet. En viktig komponent i ett omsorgsfullt utarbetande av ett neuralt nätverk är kontrollen av de karakteristiska storlek- arna av vikterna (betecknade WJUT i Fig.l5) av indataparamet- rarna. Denna operationen kräver att nätverket primärt är tränat från en uppsättning av kända utdata där vikterna 10 15 20 25 30 520 140 42 - » - . t . systematiskt ändras tills en bäst passande beskrivning av nätverket erhålles som funktion av indata. Bland andra möjligheter för modellering av arbetsstycket, kan ett neuralt nätverk tränas på lägessvetsar erhållna under specifika förhåll- anden (mjukt stål, skyddsgas, trådhastighet, trådmatnings- hastighet, plåttjocklek, etc) genom en bågsvetsningrobot.

Solidifiering av smälta under GMA-svetsprocesser (Gas Metal Arc Welding) beror på värmeöverföringsvillkor i svetssmält- badet, se Fig. 16. Fusionsmekanism och karakteristikor av resulterande svetsar är komplexa att modellera analytiskt.

Neurala nätverk kan representera ett lämpligt alternativ för en modell av ett arbetsstycke.

Form och mekaniska egenskaper av svetsar kan starkt påverkas av elektromagnetiska krafter, flytkrafter och ytspänningskrafter som inducerar flöde av smält metall i svetssmältbadet möjligtvis påverkade av droppsamman- stötningar, förångning, ljusbågstryck och molekylär kontaminering. Tillräckligt noggranna predikteringar av svetskvalitet genom analytisk modell av dessa fenomen kan vara svåra att tillhandahålla, eftersom de kräver detaljerade och optimerade beräkningsrutiner inkluderande lämpliga numeriska metoder för rörliga gränssystem.

Neurala nätverk är kraftfulla parametriserade icke-linjära regressionsmodeller för vilka ingen fundamental kunskap om systemet som ska modelleras krävs. De kan allmänt beskrivas som en serie viktade variabler (indataparametrar x1): _ <1 u) yl. - Ewl. )x,. +67 i som skapar argument av icke-linjära regresssionsöverförings- funktioner (gömda variabler). 10 15 20 25 30 520 140 43 u KU Exempel: h; = tanh y] Eftersom en en-gömd-enhetsmodell (hy = h, y = Wl2lH+ßl2l utdataparameter) inte är tillräckligt flexibel, kan ytterligare grader av icke-linearitet introduceras genom att kombinera ett flertal icke-linjära överföringsfunktioner (utdataparameter y) y=2w§9hj -kßm i vilket följaktligen tillåter neurala nätverk att fånga nästan godtyckliga icke-linjära samband. Neural nätverks förmåga att hantera komplexitet är mycket relaterad till antalet regressionsöverföringsfunktioner, dvs antalet gömda lager. En viktig komponent i ett omsorgsfullt utarbetande av ett neuralt nätverk är kontrollen av den karakteristiska storleken av vikterna (Wim) av indatastorheter. Denna operation kräver att nätverket primärt är tränat frän en uppsättning av kända utdata, där vikterna systematiskt ändras tills en bäst passande beskrivning av nätverket erhålles som funktion av indata.

Numeriska tillvägagångssätt kan utvecklas för att undvika svårigheter med överbestämning. I några fall kan felupp- skattningar också beräknas för att definiera osäkerhet i bestämning genom att ta hänsyn till sannolikhetsfördelningar av uppsättningar av vikter istället för att använda en unik sådan.

Ett neuralt nätverk kan skapas för att modellera effekterna av värme- och massatransport med avseende på svetsgeometri, som del av en slutanvändarmjukvara för bågsvetsning. Många experimentella parametrar kan emellertid, som tidigare nämnts, påverka en bågsvetsprocess (till exempel trådegen- skaper, skyddsgasegenskaper, svetsspänning, tråd- matningshastighet, svetshastighet, elektrodutstick, etc - se figur). 10 15 20 25 30 35 520 140 ifïfïf 44 En systematisk undersökning av endast tio parametrar vid enbart tre variationsnivåer skulle resultera i 310, dvs ungefär 59-103 möjliga kombinationer att undersöka. Teoretisk kunskap av ljusbågen tyder på att ljusbågsströmmen, svetshastigheten och materialparametrar huvudsakligen är ansvariga för värme- och massatransport in i arbetsstycket.

En GMAW-process (Gas Metal Arc Welding) kan vara nedbruten i separata moduler för, respektive, den elektriska kretsen, tråden (anod), ljusbågen, interaktioner mellan ljusbägen och tråden (dvs droppbildning), interaktioner mellan ljusbågen och arbetsstycket, och arbetsstycket i sig (katod). Mängden svetsar som behövs produceras för att skapa en modell med neurala nätverk av arbetsstycket kan följaktligen reduceras till ett rimligt litet antal genom successiv jämförelse av modellresultat för de olika modulerna till ett fåtal relevanta experimentella testfall kännetecknande av funktionaliteten av den testade modulen, varvid alla kritiska parametrar av övriga moduler är fixerade i andra avseenden. I detta syfte bör interna resist- anser, induktanser och resistanser av svetsutrustningen att användas för experiment, mätas i förväg och registrering av processignaler under svetsningen (t ex ljusbägsström och - spänning; kodad signal från trådmatningssystemet, etc) bör utföras med en insamlingsenhet. Modulvalidering för elkretsen kan åstadkommas genom att jämföra uppmätt ljusbågsström och -spänning med predikterade värden av dessa storheter vid olika trâdmatningshastigheter och svetsspänningar för olika svetstyper (kortbåge, spraybåge, forcerad kortbåge (rapid-arc)), varvid alla andra parametrar hålls konstanta och identiska mellan modeller och experiment i andra avseenden. Validering av trådmodellen för simulering av massatransporttyp (dvs droppövergäng) kan åstadkommas på ett liknade sätt genom ytterligare mätning av medelmassatransporten. Validering av ljusbågsmodellen kan åstadkommas genom att variera svets- spänning och elektrodutstick för olika skyddsgaser och träd- diametrar, varvid alla övriga parametrar hålls konstant. 10 15 20 25 30 520 140 45 Justeringar av varje modell måste eventuellt implementeras stegvis under valideringen av varje modul. Slutligen, experi- ment som genomförs för modellering av fullständiga massa- och värmetransporteffekter in i arbetsstycke har helt enkelt att göra med påverkan av pistolsvetsvinklar och fràn/motvinklar, svetshastighet, plåttjocklek, plätmaterial och svetsfogkonfigur- ation, där alla andra aspekter antages omfattas av de tidigare övriga validerade rutinerna. För maximal tillämplighet av mjukvaran, ska experiment utföras på olika svetsfogar (till exempel överlappsfog, T-fog) tillverkade t ex i stående-liggande- konfiguration eller lägeskonfiguration eller andra slag, bero- ende på åsyftad marknad för mjukvaran.

Som indata från ljusbågsberoende modeller till en modell med neuralt nätverk av arbetsstycket, kommer temperaturfördel- ningar av elektroner och joner, strömintensitet på grund av såväl materialsorter och förångningshastighet vid arbets- styckets yta vara tillgängliga från en i förväg beräknad matris etablerad med de validerade modellerna. Massa, värme och hastighet i droppövergången kommer också hänföras som indata till det neurala nätverket från predikteringar erhållna med den validerade trådmodellen.

Utdata från det neurala nätverket ska möjliggöra en bestäm- ning av svetskvaliteten som definieras antingen genom geo- metriska eller mekaniska egenskaper. En komplett version av mjukvara ska inkludera alla möjliga kvalitetsaspekter. Då kvalitet associeras med svetsform, kommer utdata utgöras av geometriska svetsdimensioner. En skiss av predikterad svets- geometri ska visas eller dimensioner enligt standarden EN- 25817 ska listas på slutanvändarens gränssnitt. Då kvalitet associeras till mekaniska egenskaper, ska utdata utgöras av predikterade värden av t ex sträckgräns, slutlig styrka, Charpy- seghet och anlöpningssprödhet.

Claims (41)

10 15 20 25 30 520 140 46 . . » V - 4 - PATE NTK RAV

1. Metod för styrning av en bågsvetsutrustning som används i en bågsvetsoperation, vilken metod är reglerbar genom att variera åtminstone ett svetsparametervärde, innefattande stegen av att: - bestämma (30) nämnda åtminstone ett svetsparametervårde under användande (31) av en teoretisk modell av svetsprocessen associerad med svetsoperationen, - styra (32) operationen av svetsutrustningen och svetsprocessen associerad därmed genom att använda nämnda åtminstone ett svetsparametervärde för justering av svetsutrustningen, kännetecknad av att metoden innefattar stegen av att: - indela (33) svetsprocessen i åtminstone två separata delar, varav åtminstone en del representerar ljusbågen eller en andel därav, i den teoretiska modellen, - representera (34) var och en av nämnda åtminstone två svetsprocessdelar och svetsparametern/parametrarna associerade därmed genom en modellkomponent, - inmata (35) modellkomponenterna och en modell av spänningskälla i en modell av en elektrisk krets, och - beräkna (36) åtminstone en modellparameter av den elektriska kretsen relaterad till nämnda åtminstone en svetsparameter, från modellen av den elektriska kretsen.

2. Metod för simulering av en bågsvetsprocess, innefattande stegen av att: - inmata (40) data i en teoretisk modell representerande svetsprocessen, - bestämma (41) åtminstone ett svetsparametervärde av svetsprocessen under användande (42) av den teoretiska modellen och inmatad data, i syfte att simulera (43) svetsprocessen, kännetecknad av att metoden innefattar stegen av att: 10 15 20 25 30 35 520 Mil - indela (44) svetsprocessen i åtminstone två separata delar, varav åtminstone en del representerar ljusbågen eller en andel därav, i den teoretiska modellen, - representera (45) var och en av nämnda åtminstone två svetsprocessdelar och svetsparametern/parametrarna associerade därmed genom en modellkomponent, - inmata (46) modellkomponenterna och en modell av spänningskälla i en modell av en elektrisk krets, och - beräkna (47) åtminstone en modellparameter av den elektriska kretsen relaterad till nämnda åtminstone en svetsparameter, från modellen av den elektriska kretsen.

3. Metod för prediktering av kvaliteten av en svets erhållen från en svetsoperation, innefattande stegen av att: - inmata (50) data i en teoretisk modell representerande svetsprocessen, associerad med svetsoperationen. bestämma (51) åtminstone en egenskap hos svetsen relaterad till åtminstone en svetsningsparameter av svetsprocessen under användande av den teoretiska modellen och inmatad data, kännetecknad av att modellen innefattar stegen av att: - indela (53) svetsprocessen i åtminstone två separata delar, varav åtminstone en del representerar ljusbågen eller en andel därav, i den teoretiska modellen, - representera (54) var och en av nämnda åtminstone två svetsprocessdelar och svetsparametern/parametrarna associerade därmed genom en modellkomponent, - inmata (55) modellkomponenterna och en modell av spänningskålla i en modell av en elektrisk krets, och - beräkna (56) åtminstone en modellparameter av den elektriska kretsen relaterad till nämnda åtminstone en egenskap hos svetsen, från modellen av den elektriska kretsen.

4. Metod enligt något av kraven 1-3, kännetecknad av att metoden innefattar steget av att: - indela svetsprocessen så att interagerande regiondelw ljusbåge-tråd (8) av svetsprocessen representeras separat 10 15 20 25 30 35 520 140 48 genom en av nämnda modellkomponenter (13) i modellen (12) av den elektriska kretsen.

5. Metod enligt något av kraven 1-4, kännetecknad av att metoden innefattar steget av att: - indela svetsprocessen så att interagerande regiondel ljusbåge-arbetsstycke (10) av svetsprocessen representeras separat genom en av nämnda modellkomponenter (13) i modellen (12) av den elektriska kretsen.

6. Metod enligt något av kraven 1-3, kännetecknad av att metoden innefattar steget av att: - indela svetsprocessen så att interagerande regiondel ljusbåge-tråd (8) av svetsprocessen representeras separat genom en av nämnda modellkomponenter (13) i modellen (12) av den elektriska kretsen, och/eller steget av att: - indela svetsprocessen så att interagerande regiondel ljusbåge-arbetsstycke (10) av svetsprocessen representeras separat genom en av nämnda modellkomponenter (13) i modellen (12) av den elektriska kretsen.

7. Metod enligt något av kraven l-6, kännetecknad av att metoden innefattar steget av att: - indela svetsprocessen så att en ljusbägsregiondel (6) av svetsprocessen representeras separat genom en av nämnda modellkomponenter (13) i modellen (12) av den elektriska kretsen.

8. Metod enligt krav 7, kännetecknad av att metoden innefattar steget av att: - bestämma nämnda modellkomponent som representerar ljusbågsregiondelen (6) med hjälp av information erhållen genom beräkningar från en fysikalisk modell av en ljusbågskolumnregiondel (9) av svetsprocessen. 10 15 20 25 30 35 520 140 49

9. Metod enligt något av kraven 7-8, kännetecknad av att metoden innefattar steget av att: - bestämma nämnda modellkomponent som representerar ljusbàgsregiondelen (6) med hjälp av information erhållen genom beräkningar från en fysikalisk modell av den interagerande regiondelen ljusbàge-tråd (8) av svetsprocessen.

10. Metod enligt krav 4 eller 9, kännetecknad av att metoden innefattar steget av att: - indela den interagerande regiondelen ljusbàge-tråd (8) av svetsprocessen i en första zon (64) närmast tråden och en andra zon (65) närmast ljusbågskolumnen för beskrivande av egenskaperna hos zonerna genom olika fysikaliska undermodeller.

11. 1 1. Metod enligt något av kraven 7-9, kännetecknad av att metoden innefattar steget av att: - bestämma nämnda modellkomponent som representerar ljusbàgsregiondelen (6) med hjälp av information erhållen genom beräkningar från en fysikalisk modell av den interagerande regiondelen ljusbåge-arbetsstycke (10) av svetsprocessen.

12. Metod enligt kravet 5 eller 11, kännetecknad av att metoden innefattar steget av att: - indela den interagerande regiondelen ljusbàge-arbetsstycke (10) av svetsprocessen i en första zon (66) närmast arbetsstycket och en andra zon (67) närmast ljusbågs- kolumnen för beskrivande av egenskaperna hos zonerna genom olika fysikaliska delmodeller.

13. Metod enligt något av kraven 7, 8, 9 eller 1 1, kännetecknad av att metoden innefattar steget av att: - bestämma nämnda modellkomponent som representerar ljusbàgsregiondelen (6) med hjälp av nämnda fysikaliska 10 15 20 25 520 140 50 modell beskrivande ljusbågen genom åtminstone en ekvation oberoende av ljusbågens utsträckning i rummet.

14. Metod enligt något av kraven 7, 8, 9, ll eller 13, kännetecknad av att metoden innefattar steget av att: - bestämma nämnda modellkomponent som representerar ljusbågsregiondelen (6) med hjälp av nämnda fysikaliska modell beskrivande ljusbågen genom nämnda åtminstone en ekvation som enbart beror av tiden.

15. Metod enligt något av kraven 1-14, kännetecknad av att metoden innefattar steget av att: - indela svetsprocessen så att regiondelen ljusbågskolumn (9) av svetsprocessen representeras separat genom en av nämnda modellkomponenter (13) i modellen (12) av den elektriska kretsen.

16. Metod enligt något av kraven 1-15, kännetecknad av att metoden innefattar steget av att: - indela svetsprocessen så att en tråddel (5) av svetsprocessen representeras separat genom en av nämnda modell- komponenter (13) i modellen (12) av den elektriska kretsen.

17. Metod enligt något av kraven 1-16, kännetecknad av att metoden innefattar steget av att: - indela svetsprocessen så en arbetsstyckedel (7) av svetsprocessen representeras separat genom en av nämnda modellkomponenter (13) i modellen (12) av den elektriska kretsen. 10 15 20 25 30 35 520 140 51

18. Anordning innefattande en bågsvetsutrustning (21) som används i en svetsoperation och som är reglerbar genom att variera åtminstone en svetsparameter och ett arrangemang (22) för styrning av operationen av bågsvetsutrustningen, varvid nämnda styrningsarrangemang innefattar ett medel (23) anpassat att bestämma värdet av nämnda åtminstone ett svetsparametervärde under användande av en teoretisk modell (24) av svetsprocessen, och ett element (25) anpassat att styra operationen av svetsutrustningen och svetsprocessen associerad därmed genom att använda nämnda åtminstone ett svetsparametervärde förjustering av svetsutrustningen, kännetecknad av att medlet (23) är anpassat att använda nämnda teoretisk modell (24) innefattande åtminstone två separata delar (26, 27), av vilka åtminstone en del representerar ljusbågen eller en andel därav, motsvarande olika delar av svetsprocessen. varvid varje modelldel representeras av en modellkomponent (13), varvid nämnda modellkomponenter tillsammans med en modell av spännings- källa (14) innefattas i en modell (12) av en elektriska krets, och att nämnda medel är anpassat att beräkna åtminstone ett parametervärde av modellen av den elektriska kretsen relaterat till nämnda åtminstone en svetsparameter från modellen av den elektriska kretsen för nämnda styrning av nämnda element (25).

19. Anordning enligt krav 18, kännetecknar! av att medlet (23) är anpassat att använda nämnda teoretiska modell (24) som har interagerande regiondel ljusbåge-tràd (8) av svetsprocessen separat representerad genom en av nämnda modellkompon- enter (13) i modellen (l2) av den elektriska kretsen.

20. Anordning enligt något av kraven 17-19, kännetecknad av att medlet (23) är anpassat att använda nämnda teoretiska modell (24) som har interagerande regiondel ljusbåge- arbetsstycke (10) av svetsprocessen separat representerad 10 15 20 25 30 35 520 140 52 genom en av nämnda modellkomponenter (13) i modellen (12) av den elektriska kretsen.

21. Anordning enligt krav 18, kännetecknad av att medlet (23) är anpassat att använda nämnda teoretiska modell (24) som har interagerande regiondel ljusbåge-träd (8) av svets- processen separat representerad genom en av nämnda modell- komponenter (13) i modell (12) av den elektriska kretsen och/eller interagerande regiondel ljusbåge-arbetsstycke (10) av svetsprocessen separat representerad genom en av nämnda modellkomponenter (13) i modellen (12) av den elektriska kretsen.

22. Anordning enligt något av kraven 18-21, kännetecknad av att medlet (23) är anpassat att använda nämnda teoretiska modell (24) som har en ljusbàgsregiondel (6) av svetsprocessen separat representerad genom en av nämnda modellkompon- enter (l3) i modellen (12) av den elektriska kretsen.

23. Anordning enligt krav 22, kännetecknad av att medlet (23) är anpassat att använda nämnda teoretiska modell (24), som har information erhållen genom beräkningar från en fysikalisk modell av en ljusbägskolumnregiondel (9) av svetsprocessen att användas för bestämmande av nämnda modellkomponent (13) representerande ljusbägsregiondelen (6).

24. Anordning enligt något av kraven 22-23, kännetecknad av att medlet (23) är anpassat att använda nämnda teoretiska modell (24) som har information erhållen genom beräkningar från en fysikalisk modell av den interagerande regiondelen ljusbäge-tràd (8) av svetsprocessen, att användas för bestäm- mande av nämnda modellkomponent (13) representerande ljusbägsregiondelen (6). 10 15 20 25 30 35 520 140

25. Anordning enligt krav 19 eller 24, kännetecknad av att medlet (23) är anpassat att använda nämnda teoretiska modell (24) som har den interagerande regiondelen ljusbåge-tråd (8) av svetsprocessen indelad i en första zon (64) närmast tråden och en andra zon (65) närmast ljusbågskolumnen för beskriv- ande av egenskaperna hos zonerna genom olika fysikaliska delmodeller.

26. Anordning enligt något av kraven 22-24, kännetecknad av att medlet (23) är anpassat att använda nämnda teoretiska modell (24) som har information erhållen genom beräkningar från en fysikalisk modell av den interagerande regiondelen ljusbäge-arbetsstycke (10) av svetsprocessen, att användas för bestämmande av nämnda modellkomponent (13) representerande ljusbågsregiondelen (6).

27. Anordning enligt kraven 20 eller 26, kännetecknad av att medlet (23) är anpassat att använda nämnda teoretiska modell (24) som har den interagerande regiondelen ljusbåge-arbets- stycke (10) av svetsprocessen indelad i en första zon (66) närmast arbetsstycket och en andra zon (67) närmast ljusbågs- kolumnen för beskrivande av egenskaperna av zonerna genom olika fysikaliska delmodeller.

28. Anordning enligt något av kraven 22, 23, 24 eller 26, kännetecknad av att medlet (23) är anpassat att använda nämnda modellkomponent fastställd med hjälp av nämnda fysikaliska modell beskrivande ljusbàgen genom åtminstone en ekvation oberoende av ljusbägens utsträckning i rummet.

29. Anordning enligt krav 28, kännetecknad av att medlet (23) är anpassat att använda nämnda modellkomponent bestämd med hjälp av nämnda fysikaliska modell beskrivande ljusbågen genom nämnda åtminstone en ekvation som enbart beror av tiden. 10 15 20 25 30 35 520 140

30. Anordning enligt något av kraven 18-29, kännetecknad av att medlet (23) är anpassat att använda nämnda teoretiska modell (24) som har regiondelen ljusbågskolumn (9) av svetsprocessen separat representerad genom en av nämnda modellkomponenter (13) i modellen (12) av den elektriska kretsen.

31. Anordning enligt något av kraven 18-30, kännetecknad av att medlet (23) är anpassat att använda nämnda teoretiska modell (24) som har en tråddel (5) av svetsprocessen separat representerad genom en av nämnda modellkomponenter (13) i modellen (12) av den elektriska kretsen.

32. Anordning enligt något av kraven 18-31, kännetecknad av att medlet (23) är anpassat att använda nämnda teoretiska modell (24) som har en arbetsstyckedel (7) av svetsprocessen separat representerad genom en av nämnda modellkompon- enter (13) i modellen (12) av den elektriska kretsen.

33. Användning av en metod enligt krav 2, eller enligt krav 2 och något av kraven 3-17, för prediktering av metalldropps- formationen i en bågsvetsoperation för en given uppsättning av svetsparametrar.

34. Användning av en metod enligt krav 2, eller enligt krav 2 och något av kraven 3-17, för prediktering av metalltransport- typen i en bågsvetsoperation för en given uppsättning av svetsparametrar.

35. Användning av en metod enligt något av kraven 1-17, för beräknande av åtminstone ett svetsparametervärde som krävs för erhållande av en särskild metalltransporttyp i en svetsoperation. 10 15 20 520 140 .i -,.. 55

36. En användning av en metod enligt något av kraven 1-17, för beråknande av åtminstone ett grundinställningsvârde att användas för justering av en automatisk bågsvetsnings- utrustning före svetsning.

37. En datorprogramprodukt för att operera en metod enligt något av kraven 1-17.

38. En datorprogramprodukt innefattande kodmedel och/eller mjukvarukoddelar för att göra det möjligt för en processor att utföra stegen enligt något av kraven 1-17.

39. En datorprogramprodukt för att operera en anordning enligt något av kraven 18-32.

40. En datorprogramprodukt enligt något av kraven 37-39 tillhandahållen åtminstone delvis genom ett nätverk, såsom Internet.

41. Ett datorlåsbart medium innehållande en datorprogramprodukt enligt något av kraven 37-40.