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Dokumentenidentifikation DE102005005771B4 19.03.2009
Titel Verfahren zur Ermittlung einer Lichtbogenspannung
Anmelder Lorch Schweißtechnik GmbH, 71549 Auenwald, DE
Erfinder Jaeschke, Birger, Dr.-Ing., 71522 Backnang, DE
Vertreter HOEGER, STELLRECHT & PARTNER Patentanwälte, 70182 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 07.02.2005
DE-Aktenzeichen 102005005771
Offenlegungstag 10.08.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.03.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.03.2009
IPC-Hauptklasse B23K 9/10  (2006.01)  A,  F,  I,  20051017,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse H02M 3/335  (2006.01)  A,  L,  I,  20051017,  B,  H,  DE
B23K 9/095  (2006.01)  A,  L,  I,  20051017,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer bei einem Schweißprozess zwischen einer Schweißelektrode und einem Werkstück abfallenden Lichtbogenspannung bei Verwendung einer Schweißstromquelle mit primärseitig eines Schweißtransformators angeordnetem, vorzugsweise getaktetem Primärkreis und sekundärseitig des Schweißtransformators angeordnetem Schweißstromkreis, welcher durch einen zwischen Ausgängen angeordneten inneren Stromkreis, der die Sekundärseite des Schweißtransformators, einen Gleichrichter und eine Impedanz zur Glättung des Schweißstromes umfasst, und einen mit den Ausgängen verbindbaren bzw. verbundenen äußeren Stromkreis gebildet wird, der eine mit einem der Ausgänge verbundene Schweißelektrode und ein mit dem anderen der Ausgänge verbundenes Werkstück umfasst.

Die am Lichtbogen abfallende Lichtbogenspannung ist direkt mit der Länge des Lichtbogens und dementsprechend mit dem Abstand zwischen Elektrode und Werkstück korreliert. Dieser Abstand ist ein für die Steuerung bzw. Regelung eines Schweißprozesses wesentlicher Parameter.

Eine direkte Messung der Lichtbogenspannung ist in der Praxis nicht durchführbar, weil Elemente zum Abgreifen der Lichtbogenspannung nicht in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens angeordnet werden können. Andererseits sind in größerer Entfernung vom Lichtbogen am Schweißstromkreis abgegriffene Spannungen nicht mit der Lichtbogenspannung identisch, weil im Schweißstromkreis erhebliche Impedanzen auftreten.

Aus der EP 1 183 125 B1 ist es grundsätzlich bekannt, die Lichtbogenspannung eines Schweißprozesses unter (angenäherter) Berücksichtigung der vorgenannten Impedanzen aus am Schweißstromkreis erfassbaren elektrischen Spannungen und Strömen rechnerisch zu ermitteln. Allerdings muss dabei eine „aktuelle Änderung" des Schweißstromes erfasst werden, d. h. es müssen jeweils mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Messwerte zur Ermittlung der vorgenannten Stromänderung aufgenommen werden. Damit ist notwendigerweise ein gewisser Zeitaufwand erforderlich, welcher aber prinzipiell unerwünscht ist, da bei Schweißprozessen außerordentlich schnelle Änderungen auftreten können.

Auch nach der DE 100 64 725 A1 müssen Änderungen des Schweißstromes erfasst werden, um die Lichtbogenspannung zu ermitteln.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein besonders schnelles Verfahren zur Ermittlung der Lichtbogenspannung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass aus Messwerten einer zwischen den Ausgängen abzugreifenden Ausgangsspannung u. a. (t) und des Schweißstromes I(t) sowie aus einem berechneten oder gemessenen Wert der Spannung U1(t) ausgangsseitig des im Schweißstromkreis angeordneten Gleichrichters und aus konstruktiv vorgegebenen, gespeicherten bzw. speicherbaren Werten des Realteiles Ra der Impedanz des äußeren Schweißstromkreises und des Quotienten Q = Xa/Xi der Imaginärteile der Impedanz Xa des äußeren sowie der Impedanz Xi des inneren Schweißstromkreises die Lichtbogenspannung Ul(t) für einen Zeitpunkt t ermittelt wird gemäß UL(t) = Ua(t) + Q·[Ua(t) – U1(t)] – I(t)·Ra.

Die Erfindung bietet den Vorzug, dass die Lichtbogenspannung zum Zeitpunkt t unmittelbar aus Messwerten zum Zeitpunkt t sowie aus konstruktiv vorgegebenen Parametern, die in einem Speicher bereit gehalten werden können, ermittelbar ist. Zeitaufwendige Differenzbildungen zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Messwerten sind dagegen bei der Erfindung nicht notwendig.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Sekundärseite des Schweißtransformators sowie der zugeordnete Gleichrichter sich elektrisch wie eine Reihenschaltung aus Gleichspannungsquelle und ohmschen Widerstand (zeitabhängig) verhalten und der innere Schweißstromkreis hinreichend genau durch die vorgenannte Reihenschaltung und eine dazu in Reihe liegende Induktivität darstellbar ist, und dass der äußere Schweißstromkreis elektrisch hinreichend genau als Reihenschaltung aus einer Induktivität, einem ohmschen Widerstand und einer zur vorgenannten Spannungsquelle entgegengesetzt gepolten Gleichspannungsquelle darstellbar ist.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Ausgangsspannung des von der Sekundärwicklung des Schweißtransformatorsund dem Gleichrichter gebildeten Teilstromkreises rechnerisch bestimmt. Dies ist jedenfalls dann ohne weiteres möglich, wenn die Primärseite des Schweißstromtransformators von einem stabilen Stromnetz gespeist wird und dementsprechend die elektrischen Parameter auf der Primärseite bekannt und zur Berechnung sekundärseitiger Parameter herangezogen werden können.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung näher beschrieben werden.

In der Zeichnung zeigt

1 eine beispielhafte Darstellung einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Schweißanlage,

2 eine schematisierte Darstellung der Primärseite des Schweißtransformators sowie des Schweißstromkreises auf der Sekundärseite des Transformators, wobei zur Erläuterung des elektrischen Verhaltens einzelner Komponente Ersatzschaltelemente dargestellt sind, und

3 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des Schweißstromkreises.

Gemäß 1 besitzt ein Leistungsteil 100 eine Schweißstromquelle 1 zum Anschluss an ein in der Regel dreiphasiges elektrisches Stromnetz Eingangsanschlüsse L1 bis L3. Diese sind elektrisch mit einer Gleichrichterschaltung 2 verbunden, die über Leistungsschalter 3 in einander entgegengesetzte elektrischen Stromrichtungen mit der Primärseite eines Transformators 4 verbindbar ist. Das Taktverhältnis der zyklischen Umschaltungen der Leistungsschalter 3 wird durch einen Treiber 5 bestimmt, der die Leistungsschalter 3 betätigt. Somit kann die Primärseite des Transformators 2 mit einer Wechselspannung mit gesteuertem Taktverhältnis versorgt werden. Die Sekundärseite des Transformators 4 ist Teil eines Schweißstromkreises, der einen inneren Teilstromkreis mit einem Schweißstromgleichrichter 6 sowie einer Schweißstromglättungsinduktivität 7 sowie einen äußeren Schweißstromkreis gebildet wird, der seinerseits Verbindungsleitungen zu einer Schweißelektrode sowie einem Werkstück und den Lichtbogen zwischen Schweißelektrode und Werkstück umfasst.

In 1 wird der äußere Schweißstromkreis durch Ersatzschaltelemente dargestellt, nämlich eine den Lichtbogen repräsentierende Spannungsquelle 8 sowie eine Impedanz 9, die für die ohmschen Widerstände sowie die Induktivität und Kapazität des äußeren Schweißstromkreises steht.

Wie dargestellt schließt der innere Schweißstromkreis in der Regel an Ausgangsbuchsen A+ und A– an, an die sich der äußere Schweißstromkreis mit entsprechenden Steckern anschließen lässt. Grundsätzlich ist jedoch auch eine Festverbindung möglich.

Desweiteren ist es grundsätzlich möglich, die Schweißstromglättungsinduktivität 7 außerhalb der Schweißstromquelle 1 anzuordnen. Deshalb sei hier hervorgehoben, dass bei den nachfolgenden Erläuterungen der interne Schweißstromkreis immer die Schweißstromglättungsinduktivität 7 umfassen soll, unabhängig davon, ob diese außerhalb oder innerhalb der Schweißstromquelle 1 angeordnet ist.

Im dargestellten Beispiel umfasst die Schweißstromquelle 1 desweiteren eine in der Regel durch einen Signalprozessor gebildete Schweißprozesssteuerung 10, die den Treiber 5 steuert und eingangsseitig mit Anschlussleitungen 11 verbunden ist, welche einerseits mit den Leitungen des internen Schweißstromkreises zur Erfassung der Ausgangsspannung Ua ausgangsseitig der Schweißstromglättungsinduktivität 7 und ggf. auch der Spannung U1 ausgangsseitig des Schweißstromgleichrichters 6 bzw. eingangsseitig der Schweißstromglättungsinduktivität 7 verbunden sind und andererseits zur Verbindung mit einem Stromsensor 12 dienen, der den Schweißstrom I erfasst.

Die Schweißstromsteuerung 10 ist desweiteren mit einer übergeordneten Steuerung 13 verbunden, die ihrerseits mit einem Datenspeicher 14 sowie einer Schnittstelle 15 verbunden ist.

Nachfolgend wird nun dargestellt, wie die einer direkten Messung praktisch unzugängliche Lichtbogenspannung UL durch die Schweißprozesssteuerung aus an der Schweißstromquelle direkt messbaren Spannungen und Strömen erfasst werden kann, und zwar unter Kompensation der Verfälschung durch die Impedanzen im Schweißstromkreis.

Die 2 zeigt zunächst, dass der Schweißstromkreis vereinfacht als Stromkreis mit komplexen Impedanzen dargestellt werden kann. Dabei wird die Impedanz Zi durch die Eigenschaften des Leistungsteiles 100 definiert, wobei Zi hauptsächlich bestimmt wird von der Streuinduktivität des Transformators 4 und von der Impedanz der Glättungsinduktivität 7, die dem Schweißstromgleichrichter 6 nachgeschaltet ist.

Die Impedanz Zo wird bestimmt durch Elemente zur Messung, Glättung und Entstörung der Ausgangsspannung Ua des inneren Schweißstromkreises, z. B. Grundlastwiderstände, RC-Glieder zur Spannungsglättung, Kondensatoren zur elektromagnetischen Entstörung sowie Spannungsteiler zur Spannungsmessung.

Die die Gesamtimpedanz des äußeren Schweißstromkreises darstellende Impedanz Za wird hauptsächlich gebildet aus den ohmschen Leitungswiderständen sowie der Induktivität der Schweißkabel.

Die Impedanzen bilden einen Spannungsteiler, so dass die regelmäßig von der Schweißprozesssteuerung 10 gemessene Ausgangsspannung Ua weder die Lichtbogenspannung UL noch die Spannung eingangsseitig der Schweißstromglättungsinduktivität 7 korrekt abbildet.

Das elektrische Ersatzschaltbild des Schweißstromkreises nach 2 kann noch weiter vereinfacht werden. Bei üblichen Schweißstromquellen liegt die Impedanz Zo um mehrere Größenordnungen über den Impedanzen Zi und Za, so dass Zo vernachlässigt werden kann. Weiterhin können die Impedanzen Zi und Za aufgrund der Dominanz von ohmschen und induktiven Anteilen gegenüber nur sehr kleinen kapazitiven Anteilen vereinfacht werden in ihre Realteile, d. h. ohmsche Wirkwiderstände Ri und Ra, und ihre Imaginärteile, d. h. induktive Blindwiderstände Xi und Xa. Dies ist in 3 dargestellt, wobei desweiteren die Sekundärwicklung des Transformators 4 als Spannungsquelle widergegeben wird, die eine der Lichtbogenspannung UL entgegengerichtete Spannung UTv erzeugt. Hierbei bedeuten:

Ri:
Realteil der Impedanz (ohmscher Innenwiderstand) der Schweißstromquelle bis zu den Ausgangsbuchsen A+, A–;
Xi:
Imaginärteil der Impedanz (induktiver Blindwiderstand) der Schweißstromquelle bis zu den Ausgangsbuchsen A+, A–;
Xa:
Imaginärteil der Impedanz (induktiver Blindwiderstand) des äußeren Schweißstromkreises;
Ra:
Realteil der Impedanz (ohmscher Ersatzwiderstand) des äußeren Schweißstromkreises;
URi, UXi, UXa, URa:
Teilspannungen über den jeweiligen Widerständen;
U1, U3:
Hilfsgrößen zur Herleitung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es nun, allein durch Ermittlung der Spannungen Ua und U1 (bzw. Utv) und Kenntnis des Momentanwertes I(t) auf UL zu schließen. Zur Ableitung einer entsprechenden Beziehung wird der Spannungsteiler der imaginären Impedanzanteile mit den Größen U1, Xi, UXi, Ua, Xa, UXa, U3 herangezogen und unter Nutzung der Spannungsteilerregel für die Imaginärteile lässt sich die Beziehung herleiten: UXa = Xa/(Xi + Xa)·(U1 – U3);(Gl. 1)

Mit dieser Ausgangsbasis lassen sich folgende Rechenschritte weiter führen: Ua = UXa + U3 = Xa/(Xi + Xa)·(U1 – U3) + U3;(Gl. 2) Ua = Xa/(Xi + Xa)·U1 + [1 – Xa/(Xi + Xa)]·U3;(Gl. 3) U3 = [Ua – Xa/(Xi + Xa)·U1]/[1 – Xa/(Xi + Xa)];(Gl. 4) U3 = Ua + (Xa/Xi)·(Ua – U1);(Gl. 5)

Es zeigt sich nun, dass bei der Bestimmung der Hilfsgröße U3 die Imaginärteile der Impedanzen einen realen Quotienten (Xa/Xi) bilden. Dies bedeutet praktisch, dass die Frequenzabhängigkeit und Phasenverschiebung bzw. der Zeitversatz der Teilspannungen aus dem Verfahren zur Ermittlung der Spannung UL eliminiert wird. Da der Strom I(t) gemessen wird und damit als bekannt vorausgesetzt werden kann, lassen sich in weiteren Schritten die ohmschen Spannungsabfälle über Ra, und bei Bedarf auch über Ri, herausrechnen. Q = Xa/Xi;(Gl. 6) U3 = Ua + Q·(Ua – U1);(Gl. 7) UL = U3 – I(t)·Ra;(Gl. 8) U1 = Uz/ü·TV – I(t)·Ri;(Gl. 9) UL = Ua + Q·(Ua – U1) – I(t)·Ra;(Gl. 10) Q = [UL – Ua + I(t)·Ra]/(Ua – U1);(Gl. 11).

Im Ergebnis kann also gemäß Gleichung 10 die Lichtbogenspannung UL ohne weiteres aus leicht messbaren bzw. konstruktiv vorgegebenen Größen, die im Speicher 14 abgelegt sein können bzw. über die Schnittstelle 15 zugeführt werden, ermittelt und bei der Regelung des Schweißprozesses berücksichtigt werden.

Der Quotient Q lässt sich ggf. messen, indem zwischen Schweißelektrode und Werkstück ein Kurzschluss hergestellt wird. In diesem Falle ist keine Lichtbogenspannung vorhanden, so dass für Q gilt: Q = [I(t)·Ra – Ua(t)]/[Ua(t) – U1(t)].

Desweiteren besteht die Möglichkeit, die Spannung U1 gemäß Gleichung 9 zu berechnen, dabei bedeuten

Uz(t)/ü
Amplitude der Sekundärspannung des Transformators des getakteten Leistungsteils;
TV(t)
Steuertastverhältnis des getakteten Leistungsteils;
Ri
Realteil der Impedanz des innerhalb der Maschine befindlichen Schweißstromkreises.

Dementsprechend erübrigt es sich, die Spannung U1 sensorisch zu erfassen.


Anspruch[de]
Verfahren zur Ermittlung einer bei einem Schweißprozess zwischen einer Schweißelektrode und einem Werkstück abfallenden Lichtbogenspannung (UL) bei Verwendung einer Schweißstromquelle (1) mit primärseitig eines Schweißtransformators (4) angeordnetem, vorzugsweise getaktetem Primärkreis und sekundärseitig des Schweißtransformators (4) angeordnetem Schweißstromkreis, welcher durch einen zwischen Ausgängen (A+, A–) angeordneten inneren Schweißstromkreis, der die Sekundärseite des Schweißtransformators (4), einen Gleichrichter (6) und eine Impedanz (7) zur Glättung des Schweißstromes umfasst, und einen mit den Ausgängen (A+, A–) verbindbaren bzw. verbundenen äußeren Schweißstromkreis gebildet wird, der eine mit einem der Ausgänge (A+, A–) verbundene Schweißelektrode und ein mit dem anderen der Ausgänge verbundenes Werkstück umfasst,

wobei aus Messwerten einer zwischen den Ausgängen (A+, A–) abzugreifenden Ausgangsspannung (Ua) und des Schweißstromes (I) sowie aus einem berechneten oder gemessenen Wert der Spannung (U1) ausgangsseitig des im Schweißstromkreis angeordneten Gleichrichters (6) und aus konstruktiv vorgegebenen, gespeicherten und/oder speicherbaren Werten des Realteils (Ra) der Impedanz des äußeren Schweißstromkreises und des Quotienten (Q) der Imaginärteile der Impedanz (Xa) des äußeren sowie der Impedanz (Xi) des inneren Schweißstromkreises die Lichtbogenspannung (UL) für einen Zeitpunkt (t) ermittelt wird gemäß UL(t) = Ua(t) + Q·[Ua(t) – U1(t)] – I(t)·Ra.
Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Wert der Spannung (U1) ausgangsseitig des Gleichrichters (6) ermittelt wird gemäß U1(t) = Uz(t)/ü·TV (t) – I(t)·Ri wobei folgende Definitionen gelten:

Uz(t)/ü Amplitude der Sekundärspannung des Transformators des getakteten Leistungsteils;

TV(t) Steuertastverhältnis des getakteten Leistungsteils;

Ri Realteil der Impedanz des inneren Schweißstromkreises.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Spannung (U1) ausgangsseitig des Gleichrichters (6) durch direkte Messung erfasst wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Quotienten (Q) aus dem Imaginärteil der Impedanz des äußeren Schweißstromkreises und dem Imaginärteil der Impedanz des inneren Schweißstromkreises vor einem Start des Schweißprozesses als Näherungswert von einer Steuerung (13), einem Datenspeicher (14) oder einer Eingabevorrichtung (15) bezogen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (10, 13) während des Schweißprozesses bei sich ändernder Impedanz des Schweißstromkreises den Wert des Quotienten (Q) aus dem Imaginärteil der Impedanz des äußeren Schweißstromkreises und dem Imaginärteil der Impedanz des inneren Schweißstromkreises aktualisiert. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

dass eine Steuerung (10, 13) den Wert des Quotienten (Q) aus dem Imaginärteil der Impedanz des äußeren Schweißstromkreises und dem Imaginärteil der Impedanz des inneren Schweißstromkreises bei einem Kurzschluss zwischen Schweißelektrode und Werkstück ermittelt gemäß Q = [I(t)·Ra – Ua(t)]/[Ua(t) – U1(t)].
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (10, 13) die Lichtbogenspannung (UL) und/oder zu deren Ermittlung benutzte Größen nur während vorgegebener Phasen des Schweißprozesses bestimmt.






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