Für das Lichtbogenschmelzschweißen bzw. das Elektroschweißen von Blechen werden verschiedene Verfahren eingesetzt, die zum Teil mit konstantem Vorschub des Schweißdrahtes und zum Teil sowohl mit konstanter Spannung als auch mit konstantem Schweiß- strom arbeiten. Bei diesen im folgenden beschriebenen Verfahren wird die Schweißspannung aber die Geschwindigkeit des Drahtvor- schubes geregelt, d. h. die Stromquelle und die Schweißspannung wird über die Länge des Lichtbogens und damit letztendlich aber die Geschwindigkeit 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 ge- ringen 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 Effektivwert verwendet. Bei der Ermittlung dieses sog. True-RMS- (true root mean square-) Wertes, d. h. der Wurzel aus der Summe der Quadrate der einzelnen Messwerte, dividiert durch deren Anzahl, steht man mit konventionellen Verfahren vor der Schwierigkeit, dass man den Wert entweder genau, dafür aber mit einer Verzögerung, oder schnell, dafür aber mit einer Rest- welligkeit, ermitteln kann.

Die Restwelligkeit entsteht im wesentlichen dadurch, dass die Ermittlung des TRMS-Wertes aber eine feste Zeitspanne (z. B.

200ms) erfolgt. Wählt man die Zeitspanne zu groß und erfolgt die Ermittlung zu langsam, gerät der Regelkreis ins Schwingen und es ist eine hinreichend schnelle Reaktion auf Abweichungen nicht mehr möglich. Wählt man die Zeitspanne zu klein und er- mittelt 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 ls gleitenden Mittelwert beispielsweise bei Unter-Pulver- (UP-) Schweißen für die Rohrherstellung mit typischen Schweißparame- tern von 35V/1000A 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 dem 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 35V/1000A Stromschwankungen im Bereich von-/-50A.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuerungs- vorrichtung und ein Verfahren zum Lichtbogenschmelzschweißen zu schaffen, womit der Vorschub der Schweißelektrode und damit die Einhaltung der Vorgabewerte bzw. Führungsgrößen mit sehr viel höherer Genauigkeit erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Steuerungs- vorrichtung zum Lichtbogenschmelzschweißen nach Anspruch 1 bzw.

Anspruch 9 gelöst, wobei bevorzugte Ausführungsformen der Er- findung Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche sind.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Überlegung, nicht weiter an der nach der Ermittlung des Effektivwertes (TRMS-Er- mittlung) liegenden Regelung zu optimieren und so zu versuchen, die Effekte einer zu langsamen Istwertermittlung zu kompensie- ren, sondern direkt die gemessene Wechselspannung für die Rege- lung zu verwenden. Hierzu wird die Kurvenform einer elektri- schen Führungsgröße wie z. B. der Schweißspannung mit einer vor- gegebenen Frequenz von z. B. lOkHz abgetastet, so dass sich eine Folge von Abtastwerten ergibt. Anhand der Folge von Abtastwer- ten wird die elektrische Führungsgröße anschließend in Wellen zerlegt (d. h. es wird eine Fourier-Analyse durchgeführt). Der Effektivwert wird aus den Abtastwerten digital ermittelt, wobei eine einstellbare Zahl von Wellen berücksichtigt wird. Die Restwelligkeit des Effektivwertes, die prinzipbedingt bei den Verfahren nach dem Stand der Technik immer vorhanden ist, ent- fällt dadurch, weil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Anzahl an Abtastwerten (ein Zeitfenster) gewählt werden kann, die (dessen Länge) immer einer ganzen Zahl an Wellen ent- spricht. Damit wird vermieden, dass je nach Lage des Zeitfens- ters über der Kurvenform der elektrischen Führungsgröße eine unterschiedliche Anzahl an Nulldurchgängen und Spitzenwerten bei der Berechnung des Effektivwertes eingeht, es werden statt dessen immer genau n Vollwellen für die Ermittlung des Effek- tivwertes verwendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Lichtbogenschmelzschwei- ßen, bei dem mindestens einer Schweißelektrode und/oder mindes-

tens 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, beinhaltet das Zerlegen der Kurvenform der elektrischen Führungsgröße in Wellen und das Berechnen des Effektivwerts der elektrischen Führungsgröße in einer Zentral- prozessoreinheit aus den Abtastwerten, die einer vorgegebenen ganzen Zahl von Wellen entsprechen.

Die elektrische Führungsgröße ist bei dem Verfahren vorzugs- weise eine Momentanspannung zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und dem mindestens einen Werkstück bzw. ein Momentanstrom, der durch die mindestens eine Schweißelektrode und das mindestens eine Werkstück fließt.

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 Schweiß- elektrode und dem mindestens einen Werkstück wird bei einer be- vorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Leistung der Stromquelle nachgeführt. Die Steuerung der Leis- tung 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 erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung zum Lichtbogen- schmelzschweißen, bei dem mindestens einer Schweißelektrode und/oder mindestens einem Werkstück von einer Stromquelle e- lektrische Leistung zugeführt wird, so dass sich zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und/oder dem mindestens einen Werkstück ein Lichtbogen ausbildet, umfasst eine Recheneinheit zum Berechnen des Effektivwerts mit einer Zentralprozessorein- heit zum Zerlegen der Kurvenform der elektrischen Führungsgröße

in Wellen und zum Berechnen des Effektivwerts der elektrischen Führungsgröße aus den Abtastwerten, die einer vorgegebenen gan- zen Zahl von Wellen entsprechen.

Bevorzugt ist die Erfassungsvorrichtung zum Erfassen der e- lektrischen Führungsgröße eine Erfassungsvorrichtung zum Erfas- sen einer Momentanspannung zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und dem mindestens einen Werkstück bzw. zum Erfassen eines Momentanstrom, der durch die mindestens eine Schweißelektrode und das mindestens eine Werkstück fließt.

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 vorzugsweise eine Begrenzereinrichtung zum Begrenzen des Vorschubsignals für den Drahtvorschub vorgesehen.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die rein digi- tale Ermittlung des Effektiv-bzw. TRMS-Wertes weitestgehend unabhängig von der Kurvenform der erfassten Werte ist, d. h. im Unterschied zu den meisten analogen TRMS-Wandlern muss das Sys- tem nicht nachkalibriert werden, wenn sich durch Änderungen am Prozess oder an den Stromquellen die Signalformen ändern. Dies ist insbesondere beim Wechselstromschweißen wichtig, da die Kurvenformen hier erheblich von einer gleichmäßigen Sinus, Rechteck oder sonst wohldefinierten Kurve abweichen. Mit ande- ren Worten, die Probleme aufgrund des Jitters der Frequenz und des Messfensters beim Stand der Technik werden durch die Er-in-

dung gelöst. Zudem lässt sich durch die Unabhängigkeit von der Signalform ein Regler gleichermaßen für Gleich-und Wechsel- stromschweißen einsetzen. Hierbei eignet sich das hier geschil- derte Verfahren bzw. die hier geschilderte Steuerungseinrich- tung auch für das Metall-Inertgas-Schweißen (MIG) sowie für das Metall-Activgas-Schweißen (MAG).

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 bevorzugte Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Steuerungsvorrichtung.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Flussdia- gramms, das von der Steuerungsvorrichtung nach Fig. 2 abgear- beitet 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 automa- tisiertes 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 Vist als Maß für die verbrauchte Leistung gemessen. Sind das Werkstück 2 und die Schweißelektro- de 3 relativ weit voneinander entfernt, nimmt die Spannung Vist 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 Vist zwischen der Schweißelektrode 3 und dem Werkstück entsprechend. Die Mo- mentanspannung Vist ist in Fig. 1 mit zwei Pfeilen dargestellt.

Die Spannung Vist 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 50Hz bis 300Hz liegen. Um diese Momentanspannung Vist zu messen, ist die Erfassungsvorrichtung 6 mit der Schweiß- elektrode 3 und mit dem Werkstück 2 verbunden. Eine Rechenein- heit 7 dient zum Ermitteln einer Mittelwertspannung aus der Mo- mentanspannung Visu. Diese ermittelte Mittelwertspannung ent- spricht dem Abstand zwischen der mindestens einen Schweißelekt- rode 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 Erfassungs- vorrichtung 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 kostengüns- tigere Lösung vorgeschlagen, dass zum Ermitteln der Mittelwert- spannung die Erfassungsvorrichtung 6 zum Erfassen einer Momen- tanspannung ein Abtasthalteglied 6a und einen Analog-Digital- Wandler 6b zum digitalisieren der Abtastwerte umfasst und die Recheneinheit 7 eine (nicht dargestellte) Zentralprozessorein- heit zum Berechnen der Mittelwertspannung aus einer vorgegebe- nen Anzahl der digitalisierten Abtastwerte umfasst. Durch die Erfassung der Momentanspannung zwischen der Schweißelektrode 3 und dem Werkstück 2 mit dem Abtasthalteglied 6a kann der abge- tastete Wert mit dem Analog-Digital-Wandler 6b digitalisiert werden und anschließend rein digital weiterverarbeitet werden, was vielerlei Vorteile mit sich bringt, so z. B. Filterung von Rauschen etc., so dass auch spätere Störeinflüsse eliminiert werden können. Die Abtastung durch das Abtasthalteglied 6a er- folgt dabei mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz, die vorzugs- weise im Bereich von etwa lOkHz liegt.

Mit den digitalisierten Daten kann in der Recheneinheit 7 der analoge Spannungsverlauf am Eingang der Erfassungsvorrich- tung 6"rekonstruiert"werden und damit exakte Aussage über die Frequenz der Momentanspannung ViS 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 Schweiß-

elektrode 3 möglich. Typische Einstellungen für die Berechnung des TRMS-Mittelwertes sind fünf Vollwellen bzw. lOOms.

Die Nachführung der Schweißelektrode 3, die auf dem tatsäch- lichen Abstand von dem Werkstück 2 basiert, der seinerseits durch die TRMS-Mittelwertbildung der Momentanspannung Vist 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 Vist bewegen darf, die am Eingang der Erfassungsvor- richtung 6 gemessen wird. Die Führungsspannung Vsoll 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 ausg- bildet. 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 Vsoll wird das von der Erfassungs- vorrichtung 6 in dem Abtasthalteglied 6a und dem A/D-Wandler 6b digitalisierte Signal der Momentanspannung Vist 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 Isole vorgesehen sowie eine Stromquellenkennlinienberechnungseinheit 15 und eine Leis- tungssollwertberechnungseinheit 16. In der Stromquellenkennli- nienberechnungseinheit 15 wird außer dem Wert für Iist auch der Wert für Vist eingelesen. Die Stromquellenkennlinienberechnungs- einheit 15 und die Leistungssollwertberechnungseinheit 16 die- nen zum Steuern der Leistung der Stromquelle 1 in Abhängigkeit von der Führungsleistung Isoll 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 ViSt 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 Vist durch ein Abtasthalte- glied 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 digitale 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 +/-1V und +/-10A 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 be- reits 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 Momen- tanspannung 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 +/-1V und +/-10A erreicht. Die zur Regelung benötigten Messdaten werden an den Analogeingängen als Spannungswerte von -5V bis +5V 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 Vist mit einem Spannungseingang +120VDC 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 Ii, t 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 Strom- quelle. Die Spannungsausgänge steuern direkt die Umrichter der Servomotoren 4, 5 bzw. den Remote-Eingang Uref 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, Schwei#spannung in Volt mit zulässiger Toleranz nach unten und oben, Schwei#strom Isole 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.

Bezuqszeichen 1 Stromquelle 2 Werkstück 3 Schweißelektrode 4 Vortriebsvorrichtung (Motor) 5 Antriebsrollen 6 Erfassungsvorrichtung für Schweißspannung mit Abtasthalteglied 6a und A/D-Wandler 6b 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