DE19955967A1

DE19955967A1 - Steuerungsvorrichtung und Verfahren zum Lichtbogenschweißen

Info

Publication number: DE19955967A1
Application number: DE1999155967
Authority: DE
Inventors: Bernd Mann
Original assignee: ISAM INMA GES fur ANGEWANDTE
Current assignee: ISAM INMA GES fur ANGEWANDTE
Priority date: 1999-11-19
Filing date: 1999-11-19
Publication date: 2001-06-21
Also published as: AU1850301A; WO2001038033A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung und ein Verfahren zum Lichtbogenschweißen, bei dem mindestens einer Schweißelektrode (3) und/oder mindestens einem Werkstück (2) von einer Stromquelle (1) elektrische Leistung zugeführt wird, so dass sich zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und/oder dem mindestens einen Werkstück (2) ein Lichtbogen ausbildet mit den Schritten: Erfassen (17) einer Momentanspannung zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2), Ermitteln einer Mittelwertspannung aus der Momentanspannung, Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2). DOLLAR A Um eine genauere Nachführung der Schweißelektrode zu ermöglichen, umfasst erfindungsgemäß das Ermitteln der Mittelwertspannung die Schritte: Abtasten (18) der Momentanspannung (V¶ist¶) durch ein Abtasthalteglied (6a), so dass sich eine Folge von Abtastwerten ergibt, Digitalisieren (19) der Folge von Abtastwerten durch einen Analog-Digital-Wandler (6b) und Berechnen (20) der Mittelwertspannung durch eine Zentralprozessoreinheit aus einer vorgegebenen Anzahl der digitalisierten Abtastwerte.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung und ein Verfahren zum Lichtbogenschweißen, bei dem mindestens einer Schweißelektrode und/oder mindestens einem Werkstück von einer Stromquelle elektrische Leistung zugeführt wird, so dass sich zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und/oder dem mindestens einen Werkstück ein Lichtbogen ausbildet. Dabei wird eine Momentanspannung zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück erfasst und eine Mittelwertspannung aus der Momentan spannung ermittelt, wobei die Mittelwertspannung dem Abstand zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück entspricht. Der Abstand zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück wird in einem Regelkreis fortlaufend angepasst, so dass die Mittelwert spannung einen vorgegebenen Wertebereich nicht verlässt.

Für das im Stand der Technik bekannte, Lichtbogenschmelz schweißen bzw. das Elektroschweißen von Blechen werden ver schiedene Verfahren eingesetzt, die zum Teil mit konstantem Vorschub des Schweißdrahtes und zum Teil sowohl mit konstanter Spannung als auch mit konstantem Schweißstrom arbeiten. Bei diesen im folgenden beschriebenen Verfahren wird die Schweiß spannung über die Geschwindigkeit des Drahtvorschubes geregelt, d. h. die Stromquelle und die Schweißspannung wird über die Län ge des Lichtbogens und damit letztendlich über die Geschwindig keit des Drahtvorschubes geregelt. Von dieser Spannungsregelung unabhängig und um einige Größenordnungen langsamer wird die Leistung der Quelle nachgeführt, um so auch einen konstanten Schweißstrom zu erhalten.

Es muss dabei zwischen Gleichstrom- und Wechselstromschwei ßen unterschieden werden.

Beim Gleichstromschweißen erhält man mittels einer Sechs- Wege-Gleichrichtung eine Schweißspannung mit einer relativ geringen Restwelligkeit, deren Frequenz bei 50 Hz Netzspannung 300 Hz beträgt. Diese Spannung ist lediglich etwas zu glätten und kann dann als Istwert für die Drahtvorschubregelung verwen det werden.

Beim Wechselstromschweißen hat die Schweißspannung im allge meinen die gleiche Frequenz wie die Netzfrequenz, und es muss zunächst ein geeigneter Effektivwert als Eingangsgröße für die Regelung ermittelt werden. Da letztendlich die eingebrachte Leistung maßgeblich für den Schweißprozess ist, wird im allge meinen ein sog. True-RMS- (true root mean square-) Wert verwen det, d. h. die Wurzel aus der Summe der Quadrate der einzelnen Messwerte dividiert durch deren Anzahl. Bei der Ermittlung die ses Wertes steht man mit konventionellen Verfahren vor der Schwierigkeit, dass man den Wert entweder sehr genau, dafür aber mit einer großen Verzögerung, oder sehr schnell, dafür aber mit einer hohen Restwelligkeit, ermitteln kann. Die Rest welligkeit entsteht im wesentlichen dadurch, dass die Ermitt lung des TRMS-Wertes über eine feste Zeitspanne (z. B. 200 ms) erfolgt und diese Zeit eine unterschiedliche Anzahl an Null durchgängen und Spitzenwerten enthalten kann. Mit anderen Wor ten, ein Zeitfenster vorgegebener Länge umfasst nicht immer ei ne ganzzahlige Anzahl an Vollwellen. Wählt man das Zeitfenster zu groß und erfolgt die Ermittlung zu langsam, gerät der Regel kreis ins Schwingen und es ist eine hinreichend schnelle Reak tion auf Abweichungen nicht mehr möglich. Wählt man das Zeit fenster zu klein und ermittelt den Wert mit einer zu hohen Restwelligkeit, muss der Regler entsprechend weich ausgelegt werden.

Diese Problematik führt dazu, dass Drahtvorschubregler nach dem Stand der Technik die Schweißspannung bezogen auf einen 1 s gleitenden Mittelwert beispielsweise bei Unter-Pulver- (UP-) Schweißen für die Rohrherstellung mit typischen Schweißparame tern von 35 V/1000 A nur in der Größenordnung von einigen V genau regeln können und zudem auf größere Abweichungen des Prozesses nur relativ langsam reagieren.

Eine weitere Konsequenz aus diesem Regelverhalten nach de Stand der Technik ist es, dass bei der Nachführung der Leistung der außen überlagerte Stromregler relativ weich ausgelegt wer den muss, damit er durch die spannungsbedingten Stromschwankun gen (die Quelle selbst hält lediglich die Leistung konstant) nicht ins Schwingen gerät. Das Ergebnis sind beim UP-Schweißen für die Rohrherstellung mit typischen Schweißparametern von 35 V/1000 A Stromschwankungen im Bereich von +/-50 A.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuerungs vorrichtung und ein Verfahren zum Lichtbogenschweißen zu schaf fen, womit der Vorschub bzw. die Abstandsanspassung der Schwei ßelektrode und damit die Einhaltung der Vorgabewerte bzw. Füh rungsgrößen mit sehr viel höherer Genauigkeit erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Steuerungs vorrichtung zum Lichtbogenschweißen nach Anspruch 1 bzw. An spruch 9 gelöst, wobei bevorzugte Ausführungsformen der Erfin dung Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche sind.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Überlegung, nicht weiter an der nach der TRMS-Ermittlung liegenden Regelung zu optimieren und so zu versuchen, die Effekte einer zu langsamen Istwertermittlung zu kompensieren, sondern direkt die gemessene Wechselspannung für die Regelung zu verwenden. Hierzu wird die Schweißspannung mit einer Frequenz von 10 kHz abgetastet, und die ermittelte Kurvenform wird anschließend in Vollwellen zer legt. Über eine einstellbare Zahl an Vollwellen wird anschlie ßend der TRMS-Wert digital ermittelt. Dadurch entfällt die Restwelligkeit, die prinzipbedingt bei den Verfahren nach dem Stand der Technik vorhanden ist, da immer genau n Vollwellen für die Ermittlung, des Effektivwertes verwendet werden.

Das gattungsgemäße Verfahren zum Lichtbogenschweißen, bei dem mindestens einer Schweißelektrode und/oder mindestens einem Werkstück von einer Stromquelle elektrische Leistung zugeführt wird, so dass sich zwischen der mindestens einen Schweißelek trode und/oder dem mindestens einen Werkstück ein Lichtbogen ausbildet, umfasst die Schritte: Erfassen einer Momentanspannung zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und dem mindestens einen Werkstück, Ermitteln einer Mittelwertspannung aus der Momentanspannung, wobei die Mittelwertspannung dem Ab stand zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und dem mindestens einen Werkstück entspricht, Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und dem minde stens einen Werkstück in einem Regelkreis, so dass die Mittel wertspannung einen vorgegebenen Wertebereich nicht verlässt. Erfindungsgemäß wird dies Verfahren dadurch weitergebildet, dass das Ermitteln der Mittelwertspannung die Schritte umfasst: Abtasten der Momentanspannung (V_ist) durch ein Abtasthalteglied mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz, so dass sich eine Folge von Abtastwerten ergibt, Digitalisieren der Folge von Ab tastwerten durch einen Analog-Digital-Wandler und Berechnen der Mittelwertspannung durch eine Zentralprozessoreinheit aus einer vorgegebenen Anzahl der digitalisierten Abtastwerte.

Vorzugsweise erfolgt das Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und dem mindestens einen Werkstück durch einen PID-Regelkreis, wobei bei einer beson ders bevorzugten Ausführungsform die I-Regelung des PID-Regel kreises erst nach dem Zünden des Lichtbogens zugeschaltet wird.

Neben dem Abstand zwischen der mindestens einen Schweißelek trode und dem mindestens einen Werkstück wird bei einer bevor zugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Leistung der Stromquelle nachgeführt. Die Steuerung der Lei stung der Stromquelle erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Führungsleistung, so dass sich gegenüber einer Spannung oder eines Stroms als Führungsgröße der Vorteil ergibt, dass die Regelung integriert ausgelegt werden kann und damit eine härtere Nachführung der Stromquelle möglich wird.

Die gattungsgemäße Steuerungsvorrichtung zum Lichtbogen schweißen, bei dem mindestens einer Schweißelektrode und/oder mindestens einem Werkstück von einer Stromquelle elektrische Leistung zugeführt wird, so dass sich zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und/oder dem mindestens einen Werkstück ein Lichtbogen ausbildet, umfasst eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen einer Momentanspannung zwischen der mindestens ei nen Schweißelektrode und dem mindestens einen Werkstück, eine Recheneinheit zum Ermitteln einer Mittelwertspannung aus der Momentanspannung (V_ist), wobei die Mittelwertspannung dem Abstand zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und dem minde stens einen Werkstück entspricht, sowie eine Vortriebsvorrich tung zum Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und dem mindestens einen Werkstück, so dass die Mittelwertspannung einen vorgegebenen Wertebereich nicht verlässt, wobei die Erfassungsvorrichtung, die Recheneinheit und die Vortriebsvorrichtung einen Regelkreis bilden. Erfin dungsgemäß wird diese Steuerungsvorrichtung weitergebildet, in dem die Erfassungsvorrichtung zum Erfassen einer Momentanspan nung umfasst: ein Abtasthalteglied zum Abtasten der Momentan spannung mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz, so dass sich eine Folge von Abtastwerten ergibt, einen Analog-Digital- Wandler zum Digitalisieren der Abtastwerte und indem die Re cheneinheit zum Ermitteln der Mittelwertspannung eine Zentral prozessoreinheit zum Berechnen der Mittelwertspannung aus einer vorgegebenen Anzahl der Abtastwerte umfasst.

Vorzugsweise umfasst die Steuerungsvorrichtung einen PID- Regler für das Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und dem mindestens einen Werkstück, wo bei bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung eine Schaltvorrichtung zum Zuschalten des I-Reglers nach dem Zünden des Lichtbogens vorgesehen ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Steuerungsvorrichtung eine Leistungseingabevorrich tung zur Eingabe einer Führungsleistung und eine Stromquellen leistungssteuerung zum Steuern der Leistung der Stromquelle in Abhängigkeit von der Führungsleistung.

Ausgangsseitig ist bei der erfindungsgemäßen Steuerungsvor richtung - beim Lichtbogenschmelzschweißen - vorzugsweise eine Begrenzereinrichtung zum Begrenzen des Vorschubsignals für den Drahtvorschub vorgesehen.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die rein digi tale Ermittlung des TRMS-Wertes weitestgehend unabhängig von der Kurvenform der erfassten Werte ist, d. h. im Unterschied zu den meisten analogen TRMS-Wandlern muss das System nicht nach kalibriert werden, wenn sich durch Änderungen am Prozess oder an den Stromquellen die Signalformen ändern. Dies ist insbeson dere beim Wechselstromschweißen wichtig, da die Kurvenformen hier erheblich von einer gleichmäßigen Sinus, Rechteck oder sonst wohldefinierten Kurve abweichen. Mit anderen Worten, die Probleme aufgrund des Jitters der Frequenz und des Messfensters beim Stand der Technik werden durch die Erfindung gelöst. Zudem lässt sich durch die Unabhängigkeit von der Signalform ein Reg ler gleichermaßen für Gleich- und Wechselstromschweißen einset zen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung zeichnerisch dargestellter Ausfüh rungsformen.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Schweißvorrichtung mit einer Steuerung beim Lichtbogenschmelzschweißen, bei der die Erfindung eingesetzt werden kann.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Flussdiagramms, das von der Steuerungsvorrichtung nach Fig. 2 abgearbeitet wird.

In Fig. 1 ist schematisch eine Steuerungsvorrichtung zum Lichtbogenschmelzschweißen gezeigt. Hierbei wird von einer Stromquelle 1 mindestens einer Schweißelektrode 3 und/oder min destens einem Werkstück 2 elektrische Leistung zugeführt. Ist die Spannung zwischen Werkstück(en) 2 und Schweißelektrode(n) 3 groß genug, so kommt es zu einer Entladung, und es bildet sich zwischen der Schweißelektrode 3 und dem Werkstück 2 ein Licht bogen aus. Ebenso gut kann ein Lichtbogen zwischen zwei zu ver schweißenden Werkstücken 2 erzeugt werden, oder es sind andere Konstellationen für den Fachmann denkbar, bei denen ein automatisiertes Schweißverfahren einsetzbar ist. Der Stromkreis, der sich bei dem Lichtbogenschweißen bildet, ist in Fig. 1 durch einen in sich oval geschlossenen Pfeil dargestellt.

Um die Schweißelektrode 3 optimal nachführen zu können, so dass es einerseits nicht zu einer Unterbrechung der Entladung kommt und andererseits nicht ein zu hoher Strom fließt, umfasst die Vorrichtung nach Fig. 1 eine Erfassungsvorrichtung 6 zum Erfassen einer Momentanspannung zwischen der mindestens einen Schweißelektrode 3 und dem mindestens einen Werkstück 2. Mit ihr wird die momentane Spannung V_ist als Maß für die verbrauchte Leistung gemessen. Sind das Werkstück 2 und die Schweißelektro de 3 relativ weit voneinander entfernt, nimmt die Spannung V_ist zwischen den beiden einen ersten Wert an, und der Strom, der zwischen Werkstück 2 und Schweißelektrode 3 fließt, ist relativ gering. Bringt man die Schweißelektrode 3 näher an das Werk stück 2 heran, wird der Strom größer, und bei konstant gehalte ner Leistung der Stromquelle 1 sinkt die Spannung V_ist zwischen der Schweißelektrode 3 und dem Werkstück entsprechend. Die Mo mentanspannung V_ist ist in Fig. 1 mit zwei Pfeilen dargestellt. Die Spannung V_ist wird als Momentanspannung bezeichnet, da sie u. a. aufgrund des unregelmäßigen Abbrennens der Schweißelektro de 3 kleinen Schwankungen unterworfen ist, die im oberen Fre quenzbereich liegen, während die größeren Schwankungen aufgrund der Wechselstromversorgung je nach Stromversorgung vom Netz im Bereich von 50 Hz bis 300 Hz liegen. Um diese Momentanspannung V_ist zu messen, ist die Erfassungsvorrichtung 6 mit der Schweißelek trode 3 und mit dem Werkstück 2 verbunden. Eine Recheneinheit 7 dient zum Ermitteln einer Mittelwertspannung aus der Momentan spannung V_ist. Diese ermittelte Mittelwertspannung entspricht dem Abstand zwischen der mindestens einen Schweißelektrode 3 und dem mindestens einen Werkstück 2.

Der Abstand zwischen der Schweißelektrode 3 und dem Werk stück 2 wird fortlaufend durch eine Vortriebsvorrichtung mit einem Motor 4 und Antriebsrollen 5 nachgeführt. Die Abstandsre gelung erfolgt dabei derart, dass die Mittelwertspannung, die von der Recheneinheit ermittelt wurde, einen vorgegebenen Wer tebereich nicht verlässt. Mit anderen Worten, die Erfassungsvorrichtung 6, die Recheneinheit 7 und die Vortriebsvorrichtung 4, 5 bilden einen Regelkreis. Dieser Regelkreis ist auch auf die Einhaltung von vorgegebenen Grenzwerten ausgelegt. Werden diese Grenzwerte beim Schweißvorgang überschritten, so führt dies zum Schweißabbruch durch den Regelkreis. Grenzwerte sind u. a. Werte für eine Überspannung (Drahtstop) und für einen Kurzschlussstrom, d. h. Unterspannung. Damit kann es zu einem Schweißabbruch wegen Überspannung kommen, wenn der Grenzwert (Spannung und Dauer) für Überspannung (Drahtstop) überschritten wird, oder zu einem Schweißabbruch wegen Kurzschluss, wenn der Grenzwert (Spannung und Dauer) für Unterspannung (Kurzschluss) überschritten wird.

Bei der obigen Steuerung hängt die Genauigkeit der Nachfüh rung der Schweißelektrode 3 davon ab, wie genau der Regelkreis arbeitet. Beim Stand der Technik wurde daher bisher versucht, die Restwelligkeit bei dem Nachführen der Schweißelektrode 3 durch immer aufwendigere Regelkreise zu verringern.

Erfindungsgemäß wird dagegen als verbesserte und kostengün stigere Lösung vorgeschlagen, dass zum Ermitteln der Mittel wertspannung die Erfassungsvorrichtung 6 zum Erfassen einer Mo mentanspannung ein Abtasthalteglied 6a und einen Analog-Digi tal-Wandler 6b zum digitalisieren der Abtastwerte umfasst und die Recheneinheit 7 eine (nicht dargestellte) Zentralprozes soreinheit zum Berechnen der Mittelwertspannung aus einer vor gegebenen Anzahl der digitalisierten Abtastwerte umfasst. Durch die Erfassung der Momentanspannung zwischen der Schweißelektro de 3 und dem Werkstück 2 mit dem Abtasthalteglied 6a kann der abgetastete Wert mit dem Analog-Digital-Wandler 6b digitali siert werden und anschließend rein digital weiterverarbeitet werden, was vielerlei Vorteile mit sich bringt, so z. B. Filte rung von Rauschen etc., so dass auch spätere Störeinflüsse eli miniert werden können. Die Abtastung durch das Abtasthalteglied 6a erfolgt dabei mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz, die vorzugsweise im Bereich von etwa 10 kHz liegt.

Mit den digitalisierten Daten kann in der Recheneinheit 7 der analoge Spannungsverlauf am Eingang der Erfassungsvorrichtung 6 "rekonstruiert" werden und damit exakte Aussage über die Frequenz der Momentanspannung V_ist und die Nulldurchgänge der Mo mentanspannung gemacht werden. Mit dieser Information ist eine konstante und genaue Bestimmung des TRMS-Mittelwertes der Mo mentanspannung und somit eine präzise Nachführung der Schweiße lektrode 3 möglich. Typische Einstellungen für die Berechnung des TRMS-Mittelwertes sind fünf Vollwellen bzw. 100 ms.

Die Nachführung der Schweißelektrode 3, die auf dem tatsäch lichen Abstand von dem Werkstück 2 basiert, der seinerseits durch die TRMS-Mittelwertbildung der Momentanspannung V_ist be stimmt wurde, erfolgt über eine Treiberelektronik 9, die einen Motor 4 je nach Regelausgang der Recheneinheit 7 ansteuert.

Die Vorgabe eines Sollwertes erfolgt bei dieser in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform über eine Eingabevorrichtung 8 für eine Führungsspannung. Vorzugsweise wird um die Führungs spannung ein Intervall definiert, innerhalb dessen sich die Istspannung V_ist bewegen darf, die am Eingang der Erfassungsvor richtung 6 gemessen wird. Die Führungsspannung V_soll ist verän derbar und wird in die Recheneinheit 7 eingegeben, die im ein zelnen in Fig. 2 dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt nun die erfindungsgemäße Steuervorrichtung für das Lichtbogenschmelzschweißen, wobei sich hier der Lichtbogen zwischen der Schweißelektrode 3, die als vorschiebbarer Draht ausgeführt ist, und dem Werkstück 2 ausbildet. Denkbar ist aber auch, daß das erfindungsgemäße Verfahren beim Plasmaschweißen angewendet wird. Hierbei bildet sich dann der Lichtbogen im we sentlichen zwischen einer Düse und dem Werkstück 2 aus. In die sem Fall ist der Lichtbogen zumindest als teilübertragender Lichtbogen, vzw. als vollständig übertragender Lichtbogen ausgbildet. Beim Plasmaschweißen wird die Schweißelektrode dann durch die innerhalb der Düse angeordnete, nicht abbrennbare Wolframelektrode gebildet. Die jeweilige Momentanspannung wird dann entweder zwischen der Düse und dem Werkstück oder zwischen der Wolframelektrode und dem Werkstück gemessen. Mit Hilfe ei ner entsprechenden Vorrichtung wird dann der Abstand der Düse und damit der Abstand der nicht abbrennbaren Wolframelektrode zum teilweise schmelzenden Werkstück gemäß dem erfindungsgemä ßen Verfahren angepaßt. Die folgenden Ausführungen beziehen sich im wesentlichen nun auf das in Fig. 1 dargestellte Licht bogenschmelzschweißen mit dem entsprechenden Drahtvorschub, wo bei das erfindungsgemäße Verfahren auch beim Plasmaschweißen anwendbar ist und sich die folgenden Ausführungen daher nicht nur auf das Lichtbogenschmelzschweißen beschränken sollen.

Die Recheneinheit 7 nach Fig. 2 umfasst einen PID-Regler 11. In diesem Regler 11 erfolgt die eigentliche Regelung des Ab standes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode 3 und dem mindestens einen Werkstück 2. Der Regler 11 ist vorzugswei se als Software in der Zentralprozessoreinheit implementiert. (Selbstverständlich kann der PID-Regler aber auch als Hardware aufgebaut sein, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn be sonders schnelle Vorgänge erfasst werden sollen.)

Neben der Führungsspannung V_soll wird das von der Erfassungs vorrichtung 6 in dem Abtasthalteglied 6a und dem A/D-Wandler 6b digitalisierte Signal der Momentanspannung V_ist in eine erste TRMS-Berechnungsstufe 10 in der Recheneinheit 7 eingelesen. In dieser wird der TRMS-Mittelwert aus der Folge von Abtastwerten der Momentanspannung berechnet. Der Ausgang der TRMS-Berech nungsstufe 10 ist ebenfalls mit dem PID-Regler 11 verbunden.

Der Ausgang des PID-Reglers 11 wird direkt (über die Trei berelektronik 9) für den Vorschub der Schweißelektrode 3 heran gezogen. Dabei erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Regelung in Abhängigkeit davon, ob der Schweiß vorgang bereits im Normalbetrieb ist oder noch in der Anfangs phase. Ist letzteres der Fall, so wird durch eine (nicht darge stellte) Schaltvorrichtung der I-Regler erst nach dem Zünden des Lichtbogens zugeschaltet. Im anderen Fall arbeitet der Reg ler 11 als P-, I- und D-Regler.

Damit es nicht zu übergroßen Nachregelungen des Systems und damit u. U. zum Schwingen des Systems kommt, ist vorzugsweise eine Begrenzereinrichtung 13 zum Begrenzen des Ausgangssignals des Reglers 11 für den Drahtvorschub vorgesehen.

Mit anderen Worten, die Drahtvorschubregelung ist als be grenzter PID-Regler mit zweistufiger Reglerfreigabe ausgeführt. Der Reglerausgang wird durch die Werte Min und Max beschränkt. Bis zum Zünden ist Max unabhängig von dem eingegebenen Wert im mer gleich Null gesetzt, um ein Hochbeschleunigen des Drahtes zu verhindern. Um eine schnelle Reaktion zu gewährleisten, wird der I-Anteil nicht aktualisiert, solange der Reglerausgang durch einen Grenzwert limitiert wird.

Wie bereits oben erwähnt wird zum Kompensieren von Schwan kungen mit größerer Periodendauer vorzugsweise die Leistung der Stromquelle 1 nachgeregelt. Dazu weist die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Recheneinheit 7 nach Fig. 2 eine zweite TRMS- Berechnungsstufe 14 für die Berechnung des Mittelwertes des mo mentan durch die Schweißelektrode 3 fließenden Stroms auf. Au ßerdem ist eine (nicht dargestellte) Leistungseingabevorrich tung zur Eingabe einer Führungsleistung I_soll vorgesehen sowie eine Stromquellenkennlinienberechnungseinheit 15 und eine Lei stungssollwertberechnungseinheit 16. In der Stromquellenkennli nienberechnungseinheit 15 wird außer dem Wert für I_ist auch der Wert für V_ist eingelesen. Die Stromquellenkennlinienberechnungs einheit 15 und die Leistungssollwertberechnungseinheit 16 die nen zum Steuern der Leistung der Stromquelle 1 in Abhängigkeit von der Führungsleistung I_soll und geben eine Referenzspannung U_ref aus, die wiederum in die Stromquelle 1 eingespeist wird (s. Fig. 1).

Im folgenden wird anhand Fig. 3 der Ablauf des erfindungsge mäßen Verfahrens zum Lichtbogenschmelzschweißen erläutert.

Das Verfahren weist die im folgenden erläuterten Schritte auf. In Schritt 17 wird die Momentanspannung V_ist zwischen der mindestens einen Schweißelektrode 3 und dem mindestens einen Werkstück 2 erfasst. Aus dem Verlauf der Momentanspannung wird die Mittelwertspannung ermittelt, wobei die Mittelwertspannung dem Abstand zwischen der mindestens einen Schweißelektrode 3 und dem mindestens einen Werkstück 2 entspricht.

Der Abstand zwischen der mindestens einen Schweißelektrode 3 und dem mindestens einen Werkstück 2 in einem Regelkreis er folgt dann anhand der Mittelwertspannung, so dass die Mittel wertspannung einen vorgegebenen Wertebereich nicht verlässt.

Um Schwankungen zu vermeiden und die Nachführung möglichst genau zu machen, wurde bisher versucht, die Regelung feiner zu machen. Das bedeutet jedoch, dass der Aufwand in Hardware bzw. in Software weiter steigt. Erfindungsgemäß wird dagegen vorge schlagen, die Regelung im wesentlichen digital durchzuführen. Dazu umfasst das Ermitteln der Mittelwertspannung als Schritt 18 das Abtasten der Momentanspannung V_ist durch ein Abtasthal teglied 6a mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz, so dass sich eine Folge von Abtastwerten ergibt. In Schritt 19 wird diese Folge von Abtastwerten durch einen Analog-Digital-Wandler 6b digitalisiert, und in Schritt 20 wird die Mittelwertspannung durch die Zentralprozessoreinheit in der Recheneinheit 7 aus einer vorgegebenen Anzahl der digitalisierten Abtastwerte be rechnet.

Die Regelung des Vorschubs der Schweißelektrode 3 erfolgt nach Vergleich des berechneten Wertes der Mittelwertspannung mit einer Sollspannung. Dabei liegen "erlaubte" Werte der Mit telwertspannung in einem vorgegebenen Intervall um die verän derbare Sollspannung.

Das Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode 3 und dem mindestens einen Werkstück 2 erfolgt durch den in Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen PID-Regel kreis. Dabei wird vorzugsweise die I-Regelung des PID-Regel kreises erst nach dem Zünden des Lichtbogens zugeschaltet. Ist also das Zünden noch nicht erfolgt, so verzweigt sich das Ver fahren nach der Abfrage des Zündens in Schritt 21 zu dem Schritt 22. In diesem Schritt 22 erfolgt nur die PD-Regelung, eine I-Regelung findet vorzugsweise nicht statt. Befindet sich der Schweißvorgang dagegen bereits in dem Normalbetrieb, d. h. die Zündung hat bereits stattgefunden und ein Lichtbogen ist zwischen Elektrode und Werkstück erzeugt worden, so wird der Abstand zwischen Elektrode 3 und Werkstück 2 in Schritt 23 PID- geregelt.

Der digitalen TRMS-Ermittlung in den Schritten 17 bis 20 wird also ein ebenfalls digitaler PID-Regler nachgeschaltet, der einige weitere Vorteile gegenüber den konventionellen Reg lern aufweist. Entscheidend ist jedoch, dass wie oben beschrie ben der Istwert der Momentanspannung digitalisiert wird und die Vollwelleninformation für die Regelung verwendet wird.

Die in den relevanten Anwendungsbereichen Spiralrohrschwei ßen konventionell, Spiralrohrschweißen mit Heftnaht, Längsnaht schweißen innen und Längsnahtschweißen außen durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren ei nen erheblichen Vorteil gegenüber den Reglern nach dem Stand der Technik bietet und sowohl die Nahtqualität als auch die Prozesssicherheit verbessert. Typische Regelgüten liegen in der Größenordnung von +/-1 V und +/-10 A bezogen auf ein 1 s gleiten des Mittel.

Durch Anwendung der Erfindung lässt sich ferner das Problem des Startes des Schweißprozesses lösen. Grundprinzip des Draht vorschubreglers ist es, eine zu hohe Schweißspannung durch ein Vergrößern des Drahtvorschubes und eine zu geringe Schweißspan nung durch ein Verkleinern des Drahtvorschubes auszugleichen. In der Zündphase ist dies jedoch nicht möglich, da die Leer laufspannung der Schweißtransformatoren um ca. 100% über der gewünschten Schweißspannung liegt und somit bis zum Zünden der I-Anteil des PID-Reglers einen zu großen Wert annehmen würde. Aus diesem Grund wird in allen Schweißanlagen nach Stand der Technik bis zum Moment des Zündens mit einem konstanten Vor schub gefahren, im Moment des Zündens wird üblicherweise über ein Stromrelais der Drahtvorschubregler zugeschaltet. Dieses Umschalten ist naturgemäß mit einer gewissen Verzögerung ver bunden und trägt so zur Verschlechterung des Zündvorgangs bei. Bei dem erfindungsgemäßen zwei-stufigen Regler wird der Draht vorschubregler bis zum Moment des Zündens nur in negativer Richtung freigegeben und der Ausgang des Reglers mit dem Zünd vorschub überlagert. Im Moment des Zündens ist der Regler bereits aktiv und kann den Draht abfangen. Erst danach wird die zweite Stufe freigegeben, d. h. auch ein positives Ergebnis des Drahtvorschubreglers wird dem Zündvorschub überlagert und der I-Anteil wird ab diesem Zeitpunkt aktualisiert.

Ferner kann durch die Digitalisierung der erfassten Moment anspannung die Regelung besser gegen ein unbeabsichtigtes Schwingen geschützt werden. PID-Regler nach dem Stand der Tech nik lassen sich entweder hart oder weich einstellen, d. h. ihre Reaktion auf kurzfristige Änderungen des Istwertes erfolgt schnell und mit einer großen Änderung der Stellgröße oder ent sprechend langsamer und mit einer geringeren Änderung. Dies führt dazu, dass ein für den normalen Schweißprozess optimal eingestellter Regler auf ein kurzes Aussetzen der Schweißspan nung (z. B. beim Überschweißen der Quernaht am Spiralrohr) über reagiert und den Draht bis zum Kurzschluss beschleunigt. Der dadurch entstehende Schweißfehler ist größer, als es durch das auslösende Ereignis erforderlich wäre. Der erfindungsgemäße Regler ermittelt aus dem Drahtvorschub der letzten x-Sekunden (wobei x in der Größenordnung von 5 Sekunden liegt) mit korrek ter Schweißspannung eine obere Schranke für den Drahtvorschub, die bei kurzfristigen Abweichungen der Schweißspannung nicht überschritten werden darf. Dies trägt erheblich zur Stabilität des Schweißprozesses bei plötzlichen Störungen von außen beige tragen. Somit wird durch die Erfindung eine adaptive Reglerbe grenzung während des Schweißprozesses geschaffen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich dadurch, dass der Spannungs- und Stromregler in integrierter Form verwendet wird. Beim Regelungsverfahren nach dem Stand der Technik er folgt die Regelung des Stromes unabhängig von der Spannungsre gelung bzw. dem Drahtvorschub. Dies führt dazu, dass man den Stromregler nur so hart auslegen kann, dass er nicht durch spannungsbedingte Abweichung des Schweißstromes zum Schwingen gebracht wird. Der erfindungsgemäße integrierte Regler berück sichtigt durch Spannungsabweichungen hervorgerufene Schwankun gen des Schweißstromes bei konstanter Leistung der Quelle je doch nicht, und somit ist eine wesentlich härtere Nachführung der Stromquellenleistung zur Erzielung des gewünschten Soll- Schweißstroms möglich.

Die erfindungsgemäße Steuerung kann auf einfache Art in ein stationäres System zur Regelung, Visualisierung, Bedienung und Langzeitarchivierung integriert werden, das vorzugsweise in drei Funktionsblöcke aufgeteilt ist. Auf jedem Block läuft je weils ein Teil des Verfahrens ab. Hierbei handelt es sich um 1) Messwertaufnahme, Visualisierung und Bedienung sowie Konfigura tion des Messsystems, 2) Daten-Verarbeitung und 3) Messwertdar stellung, Konfiguration des Messsystems und zur Langzeitarchi vierung der gespeicherten Daten.

Die Regelung des Lichtbogens und der Schweißspannung wird über den Schweißstrom im Außenregelkreis nachgeführt. Die Nach führung des Stromwertes erfolgt als adaptive, kennliniengestüt ze Intensitätsregelung, Typisch wird eine Regelgüte von besser als +/-1 V und +/-10 A erreicht. Die zur Regelung benötigten Messdaten werden an den Analogeingängen als Spannungswerte von -5 V bis +5 V und an den Digitaleingängen als potentialfreie Kon takte eingespeist. Ein Umformer übernimmt die Wandlung der ver schiedenen Eingangsgrößen auf das Normpotential. Dort erfolgt auch deren galvanische Trennung. An diesem Umformer stehen z. B. bei einer Maschine mit einer DC- und 4 AC-Stromquellen die im folgenden beschriebenen Eingänge zur Verfügung.

Ein erster Eingang ist für die Schweißspannung V_ist mit einem Spannungseingang +120 VDC vorgesehen, wobei die Berechnung der jeweiligen Effektivwerte digital als True-RMS erfolgt und ein eventuell vorhandener DC-Offset mit in die Berechnung eingeht. Für die Stromermessung von I_ist ist ein Spannungseingang (DC) so wie ein Stromeingang (AC) vorgesehen. Die Schweißgeschwindig keit wird über einen Spannungseingang eingelesen, der Drahtvor schub wird über einen Spannungseingang eingelesen, und der Strom durch den Drahtvorschubmotor wird über den Spannungsein gang erfasst. Für die Regelung der Drahtvorschubgeschwindigkeit und des Stromes stehen zehn Analogausgänge zur Verfügung, näm lich fünf Spannungsausgänge für die Drehzahl des Drahtvorschub motors und fünf Spannungsausgänge für die Intensität der Stromquelle. Die Spannungsausgänge steuern direkt die Umrichter der Servomotoren 4, 5 bzw. den Remote-Eingang U_ref der Stromquelle 1 an.

Als Führungsgrößen des Verfahrens nach Fig. 3 werden die folgenden Werte eingegeben: Schweißgeschwindigkeit in Metern pro Minute mit zulässiger Abweichung nach unten und oben in cm/Minute, Schweißspannung in Volt mit zulässiger Toleranz nach unten und oben, Schweißstrom I_soll in Ampere mit zulässiger Tole ranz nach unten und oben. Weitere Parameter sind Zündvorschub und eine Reduktion der Schweißgeschwindigkeit am Schweißende.

Werden die Grenzwerte über einen vorgegebenen Zeitraum nicht eingehalten, wird der Schweißprozess in dieser Ausführungsform automatisch abgebrochen. Durch die automatische und kontinuier liche Überwachung des Schweißprozesses wird neben der verbes serten Regelgüte eine Qualitätsverbesserung und Erzielung einer für verschiedene Bediener gleichbleibenden Fertigungsgüte er möglicht.

Eine Kalibrierung der Messaufnehmer ist nicht erforderlich, da das System nahezu driftfrei und unabhängig von der Kurven form der Ströme und Spannungen präzise TRMS-Werte ermittelt.

Bezugszeichen

1

Stromquelle

2

Werkstück

3

Schweißelektrode

4

Vortriebsvorrichtung (Motor)

5

Antriebsrollen

6

Erfassungsvorrichtung für Schweißspannung mit Ab tasthalteglied

6

a und A/D-Wandler

6

b

7

Recheneinheit für Mittelung der Schweißspannung

8

Eingabevorrichtung für Führungsspannung

9

Treiberelektronik für Vortriebsvorrichtung

10

TRMS-Berechnungsstufe für Schweißspannung

11

PID-Regler

12

Ablaufsteuerung

13

Begrenzereinrichtung

14

TRMS-Berechnungsstufe für Schweißstrom

15

Kennlinienberechnung der Stromquelle

16

Leistungssollwertberechnung

17

Erfassen der Momentanspannung zwischen Schweißelektrode und Werkstück

18

Abtasten und Halten der Momentanspannung

19

Digitalisieren der Momentanspannung

20

Berechnen der Mittelwertspannung Folge von digitali sierten Momentanspannungen

21

Abfrage, ob Zündung bereits erfolgt ist

22

PD-Abstandsregelung, wenn Zündung noch nicht erfolgt

23

PID-Abstandsregelung, wenn Zündung bereits erfolgt

Claims

1. Verfahren zum Lichtbogenschweißen, bei dem mindestens ei ner Schweißelektrode (3) und/oder mindestens einem Werkstück (2) von einer Stromquelle (1) elektrische Leistung zugeführt wird, so dass sich zwischen der mindestens einen Schweißelek trode (3) und/oder dem mindestens einen Werkstück (2) ein Lichtbogen ausbildet, mit den Schritten:
Erfassen (17) einer Momentanspannung zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2),
Ermitteln einer Mittelwertspannung aus der Momentanspannung, wobei die Mittelwertspannung dem Abstand zwischen der minde stens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werk stück (2) entspricht,
Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schwei ßelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2) in einem Regelkreis, so dass die Mittelwertspannung einen vorgegebenen Wertebereich nicht verlässt,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ermitteln der Mittelwertspannung die Schritte umfasst:
Abtasten (18) der Momentanspannung (V_ist) durch ein Ab tasthalteglied (6a) mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz, so dass sich eine Folge von Abtastwerten ergibt,
Digitalisieren (19) der Folge von Abtastwerten durch einen Analog-Digital-Wandler (6b) und
Berechnen (20) der Mittelwertspannung durch eine Zentralpro zessoreinheit aus einer vorgegebenen Anzahl der digitalisierten Abtastwerte.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wertebereich für die Mittelwertspannung einem vorgegebenen Intervall um eine veränderbare Sollspannung entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen des Abstandes zwi schen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem minde stens einen Werkstück (2) durch einen PID-Regelkreis erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die I-Regelung des PID-Regel kreises erst nach dem Zünden des Lichtbogens zugeschaltet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Leistung der Stromquelle in Abhängigkeit von einer Führungsleistung erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Regel kreises durch eine Begrenzereinrichtung (13) begrenzt ist.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen - beim Lichtbogenschmelz schweißen - sich zwischen einem vorschiebbaren Schweißdraht und dem Werkstück ausbildet.

8. Verfahren nach eine der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen - beim Plasmaschweißen - sich als ein zumindest teilübertragender Lichtbogen im wesentlichen zwischen einer Düse und dem Werkstück ausbildet.

9. Steuerungsvorrichtung zum Lichtbogenschweißen, bei dem mindestens einer Schweißelektrode (3) und/oder mindestens einem Werkstück (2) von einer Stromquelle (1) elektrische Leistung zugeführt wird, so dass sich zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und/oder dem mindestens einen Werkstück (2) ein Lichtbogen ausbildet, die umfasst:
eine Erfassungsvorrichtung (6) zum Erfassen einer Momentan spannung zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2),
eine Recheneinheit (7) zum Ermitteln einer Mittelwertspan nung aus der Momentanspannung (V_ist), wobei die Mittelwertspan nung dem Abstand zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2) entspricht,
eine Vortriebsvorrichtung (4, 5) zum Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem min destens einen Werkstück (2), so dass die Mittelwertspannung ei nen vorgegebenen Wertebereich nicht verlässt,
wobei die Erfassungsvorrichtung (6), die Recheneinheit (7) und die Vortriebsvorrichtung (4, 5) einen Regelkreis bilden,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erfassungsvorrichtung (6) zum Erfassen einer Momentan spannung umfasst:
ein Abtasthalteglied (6a) zum Abtasten der Momentanspannung mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz, so dass sich eine Folge von Abtastwerten ergibt,
einen Analog-Digital-Wandler (6b) zum Digitalisieren der Ab tastwerte und
die Recheneinheit (7) zum Ermitteln der Mittelwertspannung eine Zentralprozessoreinheit zum Berechnen der Mittelwertspan nung aus einer vorgegebenen Anzahl der Abtastwerte umfasst.

10. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Sollspannungseingabevorrichtung (8) für die Eingabe einer veränderbaren Sollspannung als Füh rungsspannung.

11. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch einen PID-Regler für das Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2).

12. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Schaltvorrichtung zum Zuschalten des I-Reglers nach dem Zünden des Lichtbogens.

13. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch eine Leistungseingabevorrichtung zur Eingabe einer Führungsleistung und eine Stromquellenleistungs steuerung (14, 15, 16) zum Steuern der Leistung der Stromquelle (1) in Abhängigkeit von der Führungsleistung.

14. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch eine Begrenzereinrichtung (13) zum Be grenzen des Vorschubsignals für den Drahtvorschub.

15. Steuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß - beim Lichtbogenschmelz schweißen - die Schweißelektrode durch einen vorschiebbaren Schweißdraht gebildet ist.

16. Steuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß - beim Plasmaschweißen - die Schweißelektrode durch eine innerhalb einer Düse angeordne te Wolframelektrode gebildet ist.