DE2645223B2

DE2645223B2 - Verfahren zum Regeln des Schweißlichtbogens

Info

Publication number: DE2645223B2
Application number: DE2645223A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. 5100 Aachen Puschner
Original assignee: Individual
Current assignee: Elma-Technik Elektronik und Maschinenbau-Spezial-G
Priority date: 1976-10-07
Filing date: 1976-10-07
Publication date: 1979-02-22
Also published as: US4169224A; FI772954A; ES466609A1; FR2366909A1; IT1088080B; DK444577A; JPS5383946A; ES462747A1; NO773416L; SE7711067L; BE859435A; GB1566475A; DE2645223A1; DE2645223C3; NL7710244A; CA1094170A

Description

ίο Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Schweißlichtbogens durch laufenden Vergleich elektrischer Betriebswerte mit elektrischen Sollwerten.

Es ist bekannt, die elektrischen Betriebsgrößen des Schweißlichtbogens zum Regeln des Schweißprozesses heranzuziehen. So wird in der DE-OS 16 15 100 ein Verfahren beschrieben, bei dem elektrische Betriebsgrößen des Schweißlichtbogens zur Höhenführung eines WIG-Schweißbrenners so kombiniert wevden, daß sich eine brauchbare, selbstausgleichende Regelung der Schweißbogenlänge ergibt. Aus der US-PS 34 43 057 ist es bekannt, die momentane Spannung des Schweißlichtbogens mit einer vorgegebenen festen Bezugsspannung zu vergleichen und die Regelung der Bogenlänge aufgrund des Ergebnisses dieses Vergleichs durchzufüh-

2Ί ren.

Diese beiden bekannten Verfahren eignen sich jedoch nur für das Lichtbogenschweißen mit nicht abschmelzender Elektrode, da sie nicht zwischen tatsächlichen Änderungen des Abstandes Schweißbrenner/Werk-

Ji) stück und Störungen unterscheiden können, die beispielsweise von der treibenden Energiequelle herrühren.

Schließlich werden bei dem aus der US-PS 32 04 081 bekannten Verfahren zur Führung des Schweißbrenners

ji elektrische Betriebsgrößen-Störungen des Schweißlichtbogens herangezogen, die durch eine Zusatzvorrichtung hervorgerufen werden.

Alle meßtechnisch zugänglichen Betriebsgrößen eines Lichtbogenschweißprozesser. wie Lichtbogen-

4» spannung, Schweißstrom, Lichtbogenlänge, Lichtbogenhelligkeit, Lichtbogentemperatur usw., sind jedoch mit einem nicht zu vermeidenden, störenden Rauschanteil versehen. Diese Rauschanteile werden durch Material-Übergänge im Lichtbogen, Ungleichmäßigkeiten in der

4-, Nahtfuge, Unregelmäßigkeiten in der Drahtzuführung und in der Drahtausbildung sowie Änderungen des Abstandes Schweißbrenner/Werkstück bei abschmelzender Elektrode, aber auch durch andere Einflüsse erzeugt. Hinzu kommen noch Störungen, die von der

-,ο Bauart der eingesetzten Schweißenergiequelle herrühren bzw. deren Ursache in der treibenden Netzspannungliegt.

Aus diesen Gründen können die bekannten Verfahren einerseits nur bei sehr gleichmäßig ablaufenden

-,-, Schweißprozessen, beispielsweise beim WIG-Schweißen mit nicht abschmelzender Elektrode, eingesetzt werden und benötigen andererseits sehr aufwendige Spezial-Energiequellen hoher Konstanz.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde,

ho ein Verfahren zum Regeln des Schweißlichtbogens der angegebenen Gattung zu schaffen, das auch bei Schweißverfahren mit abschmelzender Elektrode eingesetzt werden kann und keine aufwendige Spezial-Schweißstromquelle benötigt.

hi Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß gleichzeitig die elektrischen Betriebsgrößen des ablaufenden Schweißprozesses und einer einen optimal ablaufenden Schweißprozeß in seinem elektrischen

Verhalten simulierenden Nachbildung erfaßt und miteinander verglichen werden und daß in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs Kenngrößen für die Anpassung des tatsächlichen Schweißprozesses an den optimalen Verlauf gebildet werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf folgender Funktionsweise: Die einen optimal ablaufenden Schweißprozeß in seinem elektrischen Verhalten simulierende Nachbildung liegt parallel zum Schweißlichtbogen und wird von einer gemeinsamen Energiequelle und über die gleichen Quellenklemmen betrieben. Dabei ist die Nachbildung so ausgelegt, daß ihr elektrisches Verhalten dem des Schweißlichtbogens in bezug auf zwei definierte Klemmen entspricht Die elektrischen Betriebsgrößen dieser Nachbildung werden in einer geeigneten Einrichtung, beispielsweise mittels einer elektrischen Brückenschaltung, kontinuierlich mit den elektrischen Betriebsgrößen des tatsächlich ablaufenden Schweißprozesses und insbesondere des Schweißlichtbogens verglichen, so daß sich Störungen der Energiequelle, also Restwelligkeit, Kennliniendrift und Störungsdurchgriffe von der Netzvers' rgung, in gleicher Weise auf den tatsächlichen Schweißprozeß und auf die Nachbildung auswirken und damit eliminiert werden können.

Prozeßtypische Schwankungen der Betriebsgrößen, die entweder beim Schweißprozeß selbst erzeugt oder durch auf den Schweißprozeß einwirkende Zusatzeinrichtungen hervorgerufen werden, wirken nur auf den tatsächlichen Schweißprozeß ein, so daß sich Unterschiede in den elektrischen Betriebsgrößen von Schweißlichtbogen und Nachbildung ergeben, die ausgewertet und zur automatischen Angleichung der Betriebsgrößen des Schweißprozesses an die durch die Nachbildung gelieferten optimalen Größen herangezogen werden können.

Die Nachbildung des Schweißprozesses bzw. des Lichtbogens wird zweckmäßigerweise so ausgeführt, daß sie nur eine Leistung von wenigen Milliwatt aufnimmt, ur die Schweißenergiequelle nicht zusätzlich zu belasten. Dadurch lassen sich die netzseitigen Störgrößen mit geringem Aufwand und Leistungsverlust eliminieren sowie prozeßtypische Kenngrößen erzeugen.

Bei der Synthese einer Nachbildung eines technischen Schweißlichtbogens durch ein elektrisches Netzwerk muß beachtet werden, daß der Lichtbogen einen elektrischen Zweipol darstellt, der eine komplexe Impedanz hat. Außerdem müssen das statische und dynamische Verhalten acs Schweißlichtbogens berücksichtigt werden. Mit Hilfe der aus der Regelungstechnik bekannten Netzwerksynthese ist es möglich, eine ausreichend gute Nachbildung eines Schweißprozesses und insbesondere eines Schweißlichtbogens zu realisieren.

Zweckmäßigerweise wird die Lichtbogen-Nachbildung durch ein passives Netzwerk gebildet, das eine Parallelschaltung aus einem ohmschen Widerstand und einer Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes mit einem Kondensator aufweist. Sowohl diese Nachbildung als auch der Schweißlichtbogen sind Bestandteile einer elektrischen Brückenschaltung, deren Zustand über einen Brückenmeßverstärker ermittelt wird. Die Nachbildung und damit auch die Brückenschaltung wird während des Schweißvorgangs mit den gewünschten Parametern über eine Stellvorrichtung, beispielsweise ein Potentiometer, abgewichen.

Eine Verstimmung der Brücke stellt ein Maß für eine

Änderung des Zustandes des gerade ablaufenden Schweißprozesses dar. Bei den üblichen Schweißproz<?ssen, bei denen die Schutzgasmenge pro Zeiteinheit, die Drahtzuführungsgeschwindigkeit und die Schweißgeschwindigkeit konstant gehalten werden, geben bei einer Brückenverstimmung der Betrag und das Vorzeichen des vom Brückenmeßverstärker gelieferten Ausgangssignals die Abweichung des Abstandes des Schweißbrenners zum Werkstück an, d. h., eine Änderung der Lichtbogenlänge und des sogenannten freien Drahtendes. Betrag und Vorzeichen des Ausgangssignals können als Meßwert einem Regler zugeführt werden, der über eine steuerbare Stellvorrichtung die Höhe des Schweißbrenners und damit die Lichtbogenlänge und das freie Drahtende automatisch auf den optimalen Wert korrigiert Dabei wird vorausgesetzt, daß höherfrequente Rauschanteile über 5 bis 10 Hz, beispielsweise durch Integration der Ausgangssignale des Brückenmeßverstärkers, unterdrückt werden.

Da die elektrischen Betriebsgrößen eines Schweißnrozesses und auch das Ausgangssr^nal des obenerwähnten Brückenmeßverstärkers mit einem starken Rauschanteil behaftet sind, können Schwierigkeiten bei der Gewinnung der elektrischen Kenngrößen auftreten. Es wird deshalb angestrebt, aus den elektrischen Betriebsgrößen die Kenngrößen für die Regelung des Schweißprozesses so herauszufiltem, daß ihr Rauschanteil möglichst gering ist und sie ohne weiteres verarbeitet und zur Regelung herangezogen werden können.

Dies kann auf folgende Weise erreicht werden: Der Schweißlichtbogen wird während einer definierten Zeitspanne durch eine Anregung aus seinem stationären Zustand ausgelenkt; die dadurch gewonnene Kenngröße wird während einer definierten Zeitspanne unmittelbar vor der Anregung, beispielsweise der Hälfte der Anregungszeit, und während einer definierten Zeitspanne unmittelbar nach der Anregung, beispielsweise der Hälfte der Anregungszeit, integriert: von der Summe der dadurch erhaltenen beiden Signale wird das Integral der elektrischen Kenngröße für die Anregungs-Zeitspanne subtrahiert.

Dieses Verfahren läßt sich auf konstruktiv einfache Weise realisieren, so daß ohne großen Aufwand der Rauschanteil der elektrischen Betriebsgrößen eliminiert werden kann und die Kenngrößen auf einfache Weise verarbeitet werden können.

Erfolgt die Anregung des Schweißprozesses durch die Auslenkung des Lichtbogens aus seiner stationären Lage mittels eines steuerbaren Elektromagneten, so kann die dadurch hervorgerufene Änderung der elektrischen Betriebsgrößen des Schweißprozesses als Kenngröße gewonnen und zur Seitenführung des Schweißbrenners längs der Schweißfuge herangezogen werden, wie es in den älteren Patentanmeldungen P 25 33 448.9 und P 25 46 894.4 des Anmelders erläutert wird. Gleichzeitig stellt eine Zwischengröße, nämlich das Ausgangssignal eines weiterhin vorgesehenen Halteverstärkers, c*;s auf die beschriebene Weise vom Rauschanteil bereinigten Ausgangssignals des Brückenmeßverstärkers ein Maß für den Abstand Schweißbrenner/Werkstück dar, so daß bei Abweichung von einem vorgegebenen Sollwert eine Regelung auf den optimalen Abstand durchgeführt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Verlauf von Schweißspannunp und

.Schweißstrom für einen normal abkaufenden Schutzgas-SchweiDpro/cß bei Verwendung einer Schweißenergiequclle mit Brückengleichrichter.

I-i g. 2 das zeitliche elektrische Verhalten eines WIG-Schweißlichtbogens bei sprunghaften Änderungen der .Schweißspannung.

F i g. i eine aus einem passiven Zweipol bestehende Nachbildung eines Lichtbogens mit einem Verhalten, wie es in F i g. 2 dargestellt ist.

f^; i g. 4 eine Brückenschaltung für den Vergleich von I ichtbogen und Nachbildung.

F i g. 5 den Verlauf des Ausgangssignals eines bei der Brückenschaltung vorgesehenen ßrückcnmeßvcrstärkers beim Überfahren einer Stufe im Grundwerkstoff mit einem Schutzgas-Schweißbrenner,

F i g. 6 eine Darstellung eines Zyklus der Meßwertaufbereitung zur Gewinnung der Kenngrößen bei Anregung des Schweißpiozesses und

Fig. 7 ein Schaltbild einer Einrichtung zur Gewinnung von Kenngrößen für die Seiten- und Höhenführung eines Schweißbrenners.

Bei einem ungestört ablaufenden Lichtbogen-Schweißprozeß stellen sich stationäre Werte für die .Schweißspannung und den Schweißstrom ein. Dabei ist mit »stationär« gemeint, daß sich für die Dauer des Schweißvorgangs konstante Mittelwerte der Prozeßgroßen ergeben. Die Untersuchung von stationären Schweißparametern mit einem zeitlich hoch auflösenden Meßinstrument, wie beispielsweise einem Kathodenstrahl-Oszillographen, zeigt jedoch, daß die Prozeßgroßen in einem breiten Frequenzband um den stationären Mittelwert schwanken.

F i g. 1 zeigt den qualitativen Verlauf von Schweißspannung u(t) und Schweißstrom i(t) mit der Zeit t bei einem Lichtbogen-Schutzgas-Schweißverfahren und Verwendung einer Schweißenergiequelle mit Brückengleichrichter.

Es läßt sich erkennen, daß eine zeitliche Korrelation zwischen der Spannung u(t)und dem Strom /ft/besteht.

Das dynamische Verhalten eines elektrischen Verbrauchers, also auch eines Schweißprozesses, kann durch gezielte Anregung, beispielsweise mittels einer Sprungfunktion, ermittelt werden. F i g. 2 zeigt die Stromantwort i(t) eines Schweißprozesses auf eine eingeprägte Spannung u(t). Es läßt sich erkennen, daß einer vorgegebenen eingeprägten Spannung u(t) eine definierte Reaktion des Stroms i(i) entspricht, die sich eindeutig von dem ursprünglichen, ungestörten, stationären Signal unterscheidet.

Fig. 3 zeigt einen elektrischen Zweipol, dessen elektrisches Verhalten ähnliche Eigenschaften hat wie der Schweißprozeß, dessen Reaktion auf eine Änderung des Schweißstroms i(t) in F i g. 2 dargestellt ist. Dieser elektrische Zweipol besteht aus einem ohmschen Widerstand 1, zu dem eine Serienschaltung aus einem ohmschen Widerstand 2 und einem Kondensator 3 parallel geschaltet ist.

Da dieser Zweipol ähnliche elektrische Eigenschaften wie ein Schweißprozeß hat, kann er als elektrische Nachbildung eines solchen Schweißprozesses betrachtet werden.

Werden der Schweißprozeß, d. h. die elektrische Einheit aus Stromzuführung, Brenner, Lichtbogen und Werkstück sowie die in F i g. 3 dargestellte Nachbildung von derselben Schweißenergiequelle betrieben, so läßt sich eine Abweichung des Schweißprozesses vom Sollwert mittels eines Vergleichs der elektrischen Betriebsgrößen des normal ablaufenden Schweißprozesses mit den elektrischen Betriebsgrößen der Nachbildung feststellen. Obwohl die verschiedensten Betriebsparameter Einfluß auf das elektrische Verhalten des Schweißprozesses haben und dadurch mit dem hier beschriebenen Verfahren erfaßt werden können, sollen im folgenden als bevorzugtes Ausführungsbeispiel Abweichungen erläutert werden, die sich hei einer Änderung des Abstandes des Schweißbrenners vom Werkstück oder der Lichtbogenlänge ergeben.

In F i g. 4 ist eine Schaltung dargestellt, die ein vom Vergleich zwischen den elektrischen Betriebsgrößen des Schweißprozesses und den elektrischen Betriebsgrößen der Nachbildung abhängendes Ausgangssignal erzeugt. Die Klemmen einer Schweißenergiequelle 5 sind jeweils mit einer ersten Serienschaltung, die durch den Schweißprozeß 6 und einen Meßwiderstand 7 gebildet wird, sowie einer zweiten Serienschaltung verbunden, welche durch die Nachbildung 8 und einer ivieuwiuersi;iiiu 9 gebiiuei wiiu. Daüci mjm ilcr schematisch angedeutete Schweißprozeß 6 das gesamte die elektrischen Betriebsgrößen beeinflussende Schweißsystem umfassen, also insbesondere die Zuführungen, den Brenner, den Lichtbogen und da; Werkstück. Als Nachbildung 8 kann der in Fig.! dargestellte Zweipol verwendet werden.

Die beiden Serienschaltungen bilden jeweils einer Zweig einer Brückenschaltung. An die Knotenpunkte zwischc■:; Jem Meßwiderstand 7 und dem Schweißprozeß 6 sowie zwischen dem Meßwiderstand 9 und der Nachbildung 8 ist ein Brückenmeßverstärker IC angeschlossen, der an seiner Ausgangsklemme 11 ein Signal liefert, welches ein Maß füi die Verstimmung der Brücke ist. Das Ausgangssignal an der Klemme It isi nur dann Null, wenn das elektrische Verhalten de< Schweißprozesses 6 und der Nachbildung 8 identisch sind, sie also sich entsprechende elektrische Betriebsgrößen haben. Die Nachbildung 8 und der Meßwiderstand 9 können so ausgelegt werden, daß durch diesen Brückenzweig nur ein Strom von wenigen mA fließt Mit dieser Schaltung läßt sich erreichen, daß netzseitigc Störungen nicht mehr im Ausgangssignal an der Klemme 11 enthalten sind.

Fig. 3 zeigt schematisch das Überfahren einer Stufe im Grundwerkstoff mit einem Lichtbogen-Schweißbrenner mit abschmelzender Elektrode. In einem Diagramm U\(t) ist der zugeordnete zeitliche Verlaul des an der Ausgangsklemme 11 des Brückenmeßverstärkers 10 auftretenden Ausgangssignals ohne Rauschanteil dargestellt. Es läßt sich erkennen, daß bei konstanten Betriebsbedingungen des Signals Ua(O ^e'ⁿ Maß für den Abstand Brenner/Werkstück ist. L-.ese: Signal wird in einer Einheit 47 ausgewertet und zur Höhennachführung des Schweißbrenners herangezogen.

Die Auswerteinheit 47 weist eine Subtrahierschaltung 50 auf, in der vom Ausgangssignal an der Klemme 11 da« Signal einer Bezugsspannungsquelle 51 abgezogen wird die ein den Sollwert des Abstandes Brenner/Werkstück darstellendes Signal erzeugt. Bei richtigem Abstanc Brenner/Werkstück, also richtiger Lichtbogenlänge sind das Signal an der Klemme 11 und das Signal der Bezugssignalquelle 51 gleich, so daß die Subtrahierschaltung 50 das Ausgangssignal Null hat Unterscheiden sich die beiden Signale, so wird das von NuI abweichende Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 50 in einem Verstärker 52 verstärkt und über einer Servomotor M zur Höhennachführung des Schweiß brenners verwendet Dabei wird der Abstand Schweiß-

brcnner/Werkstiick so lange verstellt, bis das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 50 wieder Null ist.

Die elektrischen Eletriebsgrößen eines Lichtbogenschwcißprozessts sind mit einem starken Rauschanteil behaftet, so daß sich die aus solchen elektrischen Betriebsgrößen gewonnenen Kenngrößen für die Regelung des Schweißprozesses unter Umständen nicht vor, ι en Rauschanteilen abheben. Dies gilt beispielsweise für die elektrische Kenngröße, wie sie beim Überfahren einer Stufe im Grundwerkstoff entsteht. In Fig. 5 ist diese Kenngröße Ua(O ohne Rauschanteil dargestellt. Auch die Kenngrößen, die beispielsweise durch Auslenkung des Lichtbogens aus einer normalen Lage auf den elektrischen Betriebsgrößen des Schweißprozesses erzeugt werden, können unter Umständen im Rauschen untergehen.

In F i g. 6 ist das Ausgangssignal Ua(O des Brückenmeßverstärkers 10 dargestellt, wie es sich für ein

stellten Ausführungsform aus dem elektrischen Verhalten des Schweißprozesses und seiner Nachbildung ergibt. Dabei erfolgt im Zeitintervall fo-'i eine Beeinflussung des Lichtbogens durch ein Magnetfeld. Ohne eine solche Beeinflussung hätte Ua(O'^m Intervall ίο— ίι den gestrichelt dargestellten Verlauf genommen.

Wie in den Patentanmeldungen P 25 33 448.9 und P 25 46 894.4 des Anmelders erläutert wird, stellt eine solche, durch eine Auslenkung des Lichtbogens mittels eines Magnetfeldes hervorgerufene Änderung der elektrischen Betriebsgrößen eine Information bzw. Ker -größe dar. die zur Regelung des Schweißprozesses, insbesondere zur seitlichen Führung des Lichtbogens längs einer Fuge, herangezogen werden kann.

Wie sich aus F i g. 6 ergibt, ist der Unterschied zwischen dem gestrichelt dargestellten, ungestörten Verlauf von U.\(t) und der bei der Auslenkung auftretenden Änderung so gering, daß sich diese Differenz nur mit großen Schwierigkeiten erfassen und auswerten läßt.

Um die Information, die in der vom Brückenmeßverstärker gelieferten Kenngröße enthalten ist, zu entschlüsseln, wird die durch den Rauschanteil des Schweißprozesses bedingte Änderung der Ausgangsgröße U40 sowohl vor als auch nach dem Zeitintervall betrachtet, in dem die Information mittels der Auslenkung des Lichtbogens auf die Ausgangsgröße einwirkt und diese verändert.

Dabei wird von folgender Überlegung ausgegangen: Bei unbeeinflußtem Schweißprozeß ändert sich die Ausgangsgröße Ua(O ^m Zeitintervall to—U so, daß folgende Bedingung erfüllt ist:

«ο- Τ72

(t)dt

r, + τ 2
J UJt)at

j U_A{t)dt = 0.

I₀

Wird der Schweißprozeß während des Zeitintervalls to—U für die Zeitdauer Tangeregt, indem beispielsweise der Lichtbogen mittels eines Magnetfeldes aus seiner stationären Lage ausgelenkt wird, so ändert sich in diesem Zeitraum Ua(O ^so daß auch das Ergebnis der oben angegebenen Gleichung ungleich Null wird. Der Prozeßzustand kann dabei durch Vorzeichen und Betrag des Ergebnisses der Gleichung gekennzeichnet werden, das im angegebenen Beispiel ein MaB für die Veränderung der Lichtbogenlänge bei einer magnetischen Ablenkung des Lichtbogens ist.

In Fig. 7 ist eine elektrische Schaltung dargestellt, mit deren Hilfe aus verrauschten elektrischen Betriebsgrößen eines Schweißprozesses Kenngrößen für seine Regelung gewonnen werden können. Diese Kenngrößen werden sowohl zur seitlichen Führung des Lichtbogens als auch zur Höhensteuerung des Brenners herangezogen.

Eine an ein elektrisches Wechselstromnetz 12 angeschlossene Schweißenergiequelle 13 betreibt einen Schweißprozeß 14 und eine Nachbildung 15. Dabei soll der schematisch angedeutete Schweißprozeß 14 die elektrische Zuleitung, den Schweißbrenner, den Lichtbogen und den Werkstoff umfassen. Die Nachbildung 15 entspricht der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform, enthält also einen ohmschen Widerstand 18, der parallel zu einer Serienschaltung aus einem ohmschen Widerstand 19 und einem Kondensator 20 geschaltet ist. In Reihe zu dem ohmschen Widerstand 18 liegt ein

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ι V^t VMtllMtll.ll.1 *.», ItIIt UVIII Uli I ^ QLIIL/IIUUI Ig U ail UCII angestrebten Schweißprozeß 14 angeglichen werden kann. Dies ist gleichbedeutend mit einer Abstimmung der Brücke, die wie bei der Ausführungsform nach Fig.4 durch eine Serienschaltung aus Schweißprozeß 14 und einem Meßwiderstand 16 einerseits sowie der Nachbildung 15 und einem Meßwiderstand 17 andererseitsgebildet wird.

Ein zwischen den Knotenpunkten der beiden Serienschaltungen liegender Brückenmeßverstärker 23 speist zwei parallel zueinander liegende Integratoren 24 und 25, deren Betrieb jeweils von einer Ablaufsteuerung 26 gestartet wird.

Die Ablaufsteuerung 26 wird von dem Wechselstromnetz 12 gespeist und erzeugt über einen Transformator 27, einen Gleichrichter 28, einen Schmitt-Trigger 29, einen Frequenzteiler 30, je einen monostabilen Multivibrator 31, 32 und 33, eine Verteilerschaltung 34 und je einen monostabilen Multivibrator 35 und 36 zyklisch wiederkehrende Steuersignale.

Die Verteilerschaltung 34 liefert den Ansteuerimpuls wechselweise an einem ihrer beiden Ausgänge, die mit zwei Eingängen einer Anregungsvorrichtung 40 verbunden sind, die in der Zeitspanne fo—fi den Schweißprozeß beeinflußt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Anregungsvorrichtung als Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes ausgebildet, das den Schweißlichtbogen durchsetzt und ihn aus seiner stationären Lage auslenkt.

Die Anregungsvorrichtung 40 weist einen vom Wechselstromnetz 12 gespeisten Transformator 37 auf, der an eine mit den Ausgängen der Verteilerschaltung 34 verbundene Thyristorbrücke 38 angeschlossen ist; die T) hristorbrücke 38 erregt einen Elektromagneten 39, der den Lichtbogen des Schweißprozesses 14 abwechselnd, unter Steuerung der Impulse von der Verteilerschaltung 34, seitlich auslenkt Eine solche Auslenkung des Lichtbogens erfolgt im Zeitintervall to—U und hat die Dauer 7"(vgL F i g. 6).

In der Verarbeitungseinheit 48 für das Ausgangssignal des Brückenmeßverstärkers 23 ist der Integrator 25 über einen Verstärker 41 mit einem Halteverstärker 42 verbunden, dessen Ausgangssignal auf eine Subtrahierschaltung 43 gegeben wird; an ihrem anderen Eingang empfängt die Subtrahierschaltung 43 das Ausgangssignal des Integrators 24.

Das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 43 wird auf eine Einheit 48 geführt, weiche die Seitenführung des Schweißbrenners entlang der Schweißfuge durchführt Das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 43

wird auf zwei parallelgeschaltete Halteverstärker 44 und 45 der Seitenfiihrungseinheit 46 gegeben, deren Ausgangssignale in einer Subtrahierschaltung 53 voneinander abgezogen werden. Das Ausgangssigna! der Subtrahierschaltung 53 wird auf einen Eingang einer weiteren Subtrahiei schaltung 54 geführt, die an ihrem anderen Eingang das Ausgangssignal einer Bezugssignalquelle 56 empfängt. Die Bezugssignalquelle 56 liefert ein Signal, das den Sollwert für die seitliche Führung des Lichtbogens in der Schweißfuge, also die Einstellung des Lichtbogens in der Fugenmitte, darstellt. Ist das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 54 Null, so befindet sich der Lichtbogen in der Fugenmitte. Weicht das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 54 von Null ab, so wird es mittels eines Verstärkers 55 verstärkt und über einen Servomotor M zur seillichen Führung des Schweißbrenners längs der Schweißfuge herangezogen.

Das Aubgailgssigiiai ucs i iäiicVerStärkerä 42 dcT

Verarbeitungseinheit 48 wird außerdem auf eine Auswerteinheit 47 gegeben, die den in F i g. 4 dargestellten und bereits oben erläuterten Aufbau hat und zur Höhenführung des Schweißbrenners dient.

Die monostabilen Multivibratoren 31, 32, 33, 35 und 36 sind so geschaltet und ihre Impulszeiten sind so eingestellt, daß sich folgende Funktionsweise ergibt: Zum Zeitpunkt to — 772 (s. F i g. 6) wird der Integrator 24 über den monostabilen Multivibrator 31 gestartet, um das Ausgangssignal des Brückenmeßverstärkers 23, beginnend mit dem Zeitpunkt to — 772, zu integrieren. Dabei handelt es sich während der Zeitspanne to— 772 bis to um das noch nicht durch die Auslenkung des Lichtbogens beeinflußte Ausgangssignal des Brückenmeßverstärkers 23.

Zum Zeitpunkt to, bei dem der Lichtbogen mittels des von der Verteilerschaltung 34 erzeugten Ansteuerimpulses seitlich ausgelenkt wird, wird der Integrator 25 über den monostabilen Multivibrator 32 gestartet, um das durch die Auslenkung des Lichtbogens beeinflußte Ausgangssignal des Brückenmeßverstärkers 23 während der Zeitspanne 7"zu integrieren.

Zum Zeitpunkt fi, also fc.:i Beendigung der Auslenkung des Lichtbogens aus seiner normalen Lage, wird über den monostahilen Multivibrator 33 das Ergebnis der Integration in dem Integrator 25 nach Verstärkung um den Faktor 2 mittels des Verstärkers 41 in dem Halteverstärker 42 gespeichert, während zum Zeitpunkt -, /ι + 772, also wieder bei unbeeinflußtem Lichtbogen, über die monostabilen Multivibratoren 35 und 36 die Differenz der Ausgangssignale des Integrators 24 und des Halteverstärkers 42 über die Subtrahierschaltung 43 und unter Steuerung durch die Verteilerschaltung 34,

in also synchron mit der Auslenkung des Lichtbogens mittels der Anregungsvorrichtung 40, abwechselnd in dem Halteverstärker 44 oder 45 gespeichert wird.

Das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 43 ist jeweils zum Zeitpunkt der Einspeicherung in einem der

r, beiden Halteverstärker 44 oder 45 der Seitenführungseinheit 46 proportional zu einem Wert, der der folgenden mathematischen Verknüpfung der Integrationsflächen A, Bund C(s. F i g. 6) entspricht:

A + B + C-2S= A - B+ C.

Das so aufbereitete und gespeicherte Meßsignal kann dann in der Einheit 46 zur Seitenführung des Schweißbrenners entlang der SchweiBfuge herangezogen werden, indem die Ausgangssignale der Haltever-

)-, stärker 44 und 45 in einer weiteren Subtrahierschaltung 53 voneinander abgezogen, das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 53 in einer weiteren Subtrahierschaltung 54 mit dem Referenzsignal der Bezugssignalquelle 56 verglichen und schließlich über einen weiteren

κι Verstärker 55 und einen Servomotor M zur seitlichen Verschiebung des Schweißbrenners bei Abweichung von dem Sollwert verwendet werden.

Der im Halteverstärker 42 gespeicherte Wert ist ein Maß für den Abstand des Schweißbrenners vom

Γ) Werkstück, so daß dieser Wert auf die oben erläuterte Weise zur Höhensteuerung des Schweißbrenners herangezogen werden kann.

Durch die zyklische Neubildung der eingespeicherten Werte, die über die Ablaufsteuerung 26 synchron mit der Auslenkung des Lichtbogens aus seiner stationären Lage erfolgt, ergibt sich eine Folge von Meßwo-ten, die eine kontinuierliche Höhen- und Seitensteuerung des Schweißbrenners ermöglicht.

Hierzu 4 Blatt Zcichnunucn

Claims

Patentansprüche:

1, Verfahren zum Regeln des Schweißlichtbogens durch laufenden Vergleich elektrischer Betriebswerte mit elektrischen Sollwerten, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig die elektrischen Betriebsgrößen des ablaufenden Schweißprozesses (6; 14) und einer einen optimal ablaufenden Schweißprozeß (6; 14) in seinem elektrischen Verhalten simulierenden Nachbildung (8; 15) erfaßt und miteinander verglichen werden und daß in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs Kenngrößen für die Anpassung des tatsächlichen Schweißprozesses (6; 14) an den optimalen Verlauf gebildet werden.

Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Nachbildung (8; 15) ein Schweißprozeß (6; 14) mit einem vorgegebenen Abstand zwischen Schweißbrenner und Werkstück simuliert wird und daß in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs zwischen den elektrischen Betriebsgrößen des Schweißprozesses (6; 14) und denen der Nachbildung (8; 15) eine Kenngröße erzeugt wird, die zur automatischen Höhennachführung des Schweißbrenners herangezogen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißlichtbogen während einer definierten Zeitspanne (T)durch eine Anregung auf seinen stationären Zustand ausgelenkt wird, daß die dabei ermittelte Kenngröße während einer definierten Zeitspanne (TIT) unmittelbar vor der Anregung und während einer definierten Zeitspanne (T/2) unmittelbar nach der Anregung integriert wird und daß von uer Summe dieser beiden Integrale das Integral der Kenngröße für die Zeitspanne (T) während der Anregung subtrahiert wird.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachbildung aus einem elektrischen Netzwerk besteht, das eine Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes (1; 18) mit einer Serienschaltung aus einem ohmschen Widerstand (2; 19) mit einem Kondensator (3; 20) aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißprozeß (6; 14) und die Nachbildung (8; 15) mit Meßwiderständen (7, 9; 16, 17) zu einer Brückenschaltung zusammengefaßt sind, wobei die Kenngröße bei Unterschieden im elektrischen Verhalten des Schweißprozesses (6; 14) bzw. der Nachbildung (8; 15) an einer Ausgangsklemme (11) eines Brückenmeßverstärkers (10; 23) auftritt.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißprozeß (6; 14) und die Nachbildung (8; 15) von einer gemeinsamen Energiequelle (5; 13) gespeist werden.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Netzwerk ein Potentiometer (?1) zum Angleichen der Nachbildung (15) an den angestrebten Schweißprozeß (14) aufweist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch eine über eine Ablaufsteuerung (26) mit der Auslenkung des Lichtbogens synchronisierte und die Integraldifferenz bildende Verarbeitungseinheit (48) für das Ausgangssignal des Brückenmeßverstärkers (23), wobei sowohl Kenngrößen für die seitliche Führung des Schweißbrenners längs der Schweißfuge als auch Kenngrößen für die Höhenführung des Schweißbrenners über dem Werkstück gebildet werden.