Fügeprozess und Vorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Energieeintrags eines Pulslichtbogenplasmas bei einem Fügeprozess sowie Eine Vorrichtung.

Hintergrund der Erfindung

Versuche, den Energieeintrag bei Pulsschweißprozessen mittels Messung und Regelung allein von Schweißstrom und Schweißspannung zu beeinflussen, sind Stand der Technik und funktionieren hinab bis zu Blechdicken von 0,7 Millimeter ausreichend gut.

Je dünner die zu fugenden Bleche werden, um so instabiler laufen aber bisherige Schweißprozesse. Oxidstellen, Materialverspannungen oder Abstandsfehler fuhren zu häufigerem Durchbrennen des Bleches. Einerseits muss der Energieeintrag hoch genug sein, um eine innige Materialverbindung zu erzeugen, andererseits darf er nicht so hoch werden, dass die Schweißnaht oder das Schweißgut nicht durchfällt.

Verschiedene Untersuchungen erfolgten, um den Energieeintrag mittels Einbeziehung weiterer Einflussgrößen zu stabilisieren. Hierbei hat sich gezeigt, dass spektrale Informationen nützliche Hinweise zum Prozessgeschehen geben können. In der Literatur findet man vorwiegend Untersuchungen zu Spektrallinien beteiligter Materialien, um zu Prozessaussagen zu kommen.

In Han GuoMing et al.: Acquisition and pattern recognition of spectrum information of weld- ing metal transfer. Materials & Design, Vol. 24, Issue 8, December 2003, pp. 699-703 wird eine Technik angegeben, das Lichtbogenspektrum mittels Mustererkennungsmethoden zu untersuchen. Korrekte Schweißungen dienen als Trainingsmuster. Ein Minimum-Distanz Klassifikator wurde entwickelt, um verschiedene Merkmale zu extrahieren. In Li et al.: Precision Sensing of Are Length in GTAW Based on Are Light Spectrum. Journal of Manufacturing Science and Engineering, February 2001, Vol. 123, Issue 1, pp. 62-65 wird versucht, mit spektralen Methoden die Lichtbogenlänge im Gas Tungsten Are Welding (GTAW) Prozess zu bestimmen. Auf einer Wellenlänge von 696.5 nm; +/-15 nm ist es möglich, die Lichtbogenlänge auf +/- 0,2 mm zu bestimmen.

In Li et al.: Spectral Information of Are and Welding Automation, Welding in the World, Vol. 34, (1994) 317-324 sowie in Li Junyue et al.: Basic theory and method of welding arc spectral information, Chinese Journal of Mechanical Engineering 2004/02 wird ein Satz aus zwölf Gleichungen zur Modellierung spektraler Eigenschaften des Lichtbogens angegeben. Davon ausgehend ist es möglich, verschiedene Rückschlüsse auf den Zustand des Lichtbogens und der Zustandsänderungen zu geben.

In Valensi et al.: Experimental study of a MIG-MAG welding arc. 13th International Cong- ress on Plasma Physics, ICPP 2006, Kiev, May 22-26, 2006 wird ein Überblick gegeben, in welcher Weise moderne Methoden der Plasmaphysik anwendbar sind. So werden mit einem Linienspektrometer Aussagen zum Tropfenübergang und zum Einfluss des Schutzgases untersucht, man kommt z.B. zur Feststellung: „Die Plasmatemperatur scheint 20.000 Kelvin nicht zu überschreiten".

In Li et al.: Analysis of an Arc Light Mechanism and Its Application in Sensing of the GTAW Process. Welding Research Supplement, Sept. 2000, 252-260 wird der Gas-Tungsten Arc- Welding Prozess (GTAW) mit spektralen Methoden untersucht. Durch Ausfiltern der Argon Ionenlinien und von Metall- Atomlinien kann eine Beziehung für die Lichtbogenlänge auf +/- 0,2 mm abgeleitet werden.

In Ancona et al.: Optical Sensor for real-time Monitoring of CO2 Laser Welding Process. Applied Optics, Vol. 40, Issue 33, pp. 6019-6025 werden linienspektrometrisch die Emissionslinien von drei Elementen bestimmt, um daraus Aussagen für die Plasmatemperatur zu gewinnen. Eine Korrelation zwischen Hauptwert und Standardabweichung der Plasma- Elektronen-Temperatur und der Qualität der Schweißverbindung wird hergestellt. Das Messsystem arbeitet allerdings nicht in Realzeit. In der Arbeit Vilarinho et al.: Proposal for a Modified Fowler-Milne Method to Determine the Temperature Profile in TIG Welding. J. of the Braz. Soc. of Mech. Sei. & Eng. January- March 2004, Vol. XXVI, No.1/35 werden Berechnungsgrundlagen vorgestellt, um aus dem Spektrum sowie aus optischen Informationen zu Parametern, wie Lichtbogenlänge oder Temperatur zu kommen. Für 40 Ampere (-1...2 kW) werden Temperaturen bis 10.000 Kelvin berechnet. Allerdings ist die Methode nicht tauglich für Regelung in Echtzeit.

Eine linienspektrometrische Variante wird in dem Dokument DE 10 2004 015 553 Al beschrieben. Idee ist es, mittels spektraler Zerlegung des Plasma- Lichtes den Energieeintrag eines Schweißprozesses zu kontrollieren. Ein Linienspektrometer soll Regelinformationen bereitstellen, die das Schweißgerät steuern. Ein ähnlicher Vorschlag wird in einer Arbeit von Mirapeix et al.: „Embedded spectroscopic über sensor for on-line arc-welding analysis" Applied Optics, Vol. 46, Issue 16, June 2007, pp. 3215-3220 gemacht. Es wird eine Glasfaserleitung in den Schutzgasschlauch eingebettet, und es wird eine sehr effiziente Möglichkeit erhalten, das Licht des Bogens ohne Eingriffe in den Brennerkopf zu einem Spektrometer zu übertragen.

Von denselben Autoren wird im Aufsatz Mirapeixet al.: "Fast algorithm for spectral proces- sing with application to on-line welding quality assurance" Measurement Science and Technology, 17, (10), 2623-2629, 2006 ein Algorithmus beschrieben, mit dessen Hilfe es möglich wird, basierend auf Einzellinien Schweißprozesse zu analysieren. Dabei wird eine Verarbeitungszeit für die Analyse mehrerer Linien {multiple peak analysis) von zwanzig Millisekunden auf einem konventionellen PC erreicht.

Zu spektralen Methoden siehe auch einen Überblick über neuzeitliche Forschungen im Internet unter http://www.ilib.cn/A-jxgcxb-e200402036.html.

Ein Problem der bekannten Verfahren sind die extrem hohen Temperaturänderungen. Wird eine Momentanleistung von rund zehn Kilowatt in ein Kubikmillimeter großes Plasma eingeführt, so ergeben sich Temperaturänderungen von einigen Millionen Kelvin pro Sekunde. Soll ein Regler den Schweißimpuls in Echtzeit abschalten, stehen dafür nur wenige Mikrosekun- den zur Verfügung. Als Software-Implementierung sind nur Regler mit Verzögerungen im Bereich von Millisekunden bekannt. Da die Schweißstromquelle nicht beliebig schnell ge- macht werden kann, ist es nötig, die Verzögerung des Spektralreglers weitestgehend zu minimieren.

Um zu kürzesten Regelzeiten kommen zu können, hat man die in einem Zeit- und Spektralintervall zur Verfügung stehende Zahl von Photonen effizient zu nutzen. Rauschen und spektrale Bandbreite hängen dadurch eng miteinander zusammen: je geringer Bandbreite und Sensorfläche, desto höher das Rauschen. Oder im Umkehrschluss: Je höher Bandbreite und Größe der Photosensoren, desto geringer das Rauschen in einem begrenzenden Zeitintervall.

Ein weiteres Problem bekannter Verfahren der Thermographie, Bolometrie oder Pyrometrie besteht darin, dass man versucht, aus nur einem Spektralbereich Informationen zu ziehen. Im Prozess der Herstellung und Nutzung eines spektralen Reglers für Schweißmaschinen aber sind vielerlei Schwankungen zu beachten: So würde ein derartiger Regler bei Abstandschwankungen oder Verschmutzung andere Werte anzeigen. So empfiehlt sich im Ansatz vielmehr ein Differenzprinzip.

Nun ist bekannt, (siehe ISBN 3-8167-6766-4, www.irb.fraunhofer.de, Seite B41, oder http://www.choparc.de/ergebnis_inp.pdf (Seite 14 vom 16. September 2004) bzw. Dokument DE 10 2004 015 553 Al (WO/2005/051586), dass bei gepulsten Lichtbögen ein gegenläufiges Verhalten einzelner Emissionsintensitäten von Schutzgas- und Metalllinien zu beobachten ist. Die Intensität einer Argon-Emission im Infrarot sinkt schnell ab, während die Emission einer Linie des Metalldampfes des Plasmas im Ultraviolett mit der Strompulszeit steigt.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Regeln eines Energieeintrags eines Puis- lichtbogenplasmas bei einem Fügeprozess sowie eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen in Echtzeit eine möglichst zeiteffiziente Regelung des Energieeintrags ermöglicht ist. Es soll die Nutzung sowohl für einfachste Energiequellen für Schweiß- oder Lötgeräte als auch für marktübliche Geräte mit einem internen Timer ermöglicht sein. Darüber hinaus soll die Vorrichtung eine Bauart mit möglichst geringem Platzbedarf und in handlicher Form unterstützen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Regeln eines Energieeintrags eines Pulslichtbogenplasmas bei einem Fügeprozess nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.

Die Erfindung umfasst den Gedanken eines Verfahrens zum Regeln eines Energieeintrags eines Pulslichtbogenplasmas bei einem Fügeprozess, insbesondere bei einem Schweiß- oder Lötprozess, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erfassen von ersten Messsignalen für einen ersten zeitlichen Verlauf von Emissionslicht aus einem Lichtbogenplasma des Fügeprozesses in einem ersten spektralen Bereich, Erfassen von zweiten Messsignalen für einen zweiten zeitlichen Verlauf des Emissionslicht aus dem Lichtbogenplasma des Fügeprozesses in einem zweiten spektralen Bereich, welcher wenigstens teilweise von dem ersten spektralen Bereich verschieden ist, Erzeugen von Steuersignalen, indem in einer Auswerteeinrichtung die ersten Messsignale und die zweiten Messsignale verglichen werden, und Regeln einer Energiequelle, die konfiguriert ist, gepulst Energie für das Lichtbogenplasma bereitzustellen, gemäß den Steuersignalen. Bei der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Messsignale mit einer ersten Photodiode, welche ein Sensitivitätsmaximum bei einer ersten Wellenlänge aufweist, und die zweiten Messsignale mit einer zweiten Photodiode erfasst werden, welche ein Sensitivitätsmaximum bei einer zweiten Wellenlänge aufweist, die von der ersten Wellenlänge verschieden ist. Hierdurch werden getrennte Detektoreinrichtungen verwendet. Das Erfassen der Messsignale mit Hilfe von Photodioden hat den Vorteil, dass preiswerte und in verschiedenen Ausführungen zur Verfügung stehende Bauelemente verwendet werden, mit denen optische Signale mit einer spektralen Breite erfasst werden können. Darüber hinaus unterstützt die Verwendung der Photodioden eine Echtzeitregelung, da schnelle Antwortzeiten realisierbar sind.

Weiterhin umfasst die Erfindung den Gedanken einer Vorrichtung zum Regeln eines Energieeintrags eines Pulslichtbogenplasmas bei einem Fügeprozess, insbesondere bei einem Schweiß- oder Lötprozess, mit einer Messeinrichtung, die konfiguriert ist, erste Messsignale für einen ersten zeitlichen Verlauf von Emissionslicht aus einem Lichtbogenplasma des Fügeprozesses in einem ersten spektralen Bereich mit einer ersten Photodiode, welche ein Sensitivitätsmaximum bei einer ersten Wellenlänge aufweist, sowie zweite Messsignale für einen zweiten zeitlichen Verlauf des Emissionslicht aus dem Lichtbogenplasma des Fügeprozesses in einem zweiten spektralen Bereich, welcher wenigstens teilweise von dem ersten spektralen Bereich verschieden ist, mit einer zweiten Photodiode, welche ein Sensitivitätsmaximum bei einer zweiten Wellenlänge aufweist, die von der ersten Wellenlänge verschieden ist, zu erfassen, und einer Auswerteeinrichtung, die konfiguriert ist, Steuersignale zu erzeugen, indem die ersten Messsignale und die zweiten Messsignale verglichen werden, und die Steuersignale zum Regeln einer Energiequelle für gepulste Energie für das Lichtbogenplasma bereitzustellen.

Mit Hilfe der Erfindung ist die Möglichkeit für eine Echtzeitregelung des Energieeintrags des Pulslichtbogenplasmas bei dem Fügeprozess ermöglicht, bei der der üblicherweise genutzte Stromimpuls in kürzester Zeit ab- oder angeschaltet werden kann. Bevorzugt erfolgt dieses im Zeitbereich von wenigen Mikrosekunden. Beim Erreichen einer bestimmten Temperatur oder einer bestimmten Metalldampfkonzentration im Pulslichtbogenplasma kann in kürzester Zeit reagiert werden.

Das Vergleichen der ersten und der zweiten Messsignale in der Auswerteeinrichtung zum Erzeugen der Steuersignale kann die Einbeziehung eines oder mehrerer Schwellwerte umfassen, bei deren Erreichen oder Nichterreichen bestimmte Steuersignale erzeugt werden. Derartige Schwellwerte können vom Benutzer voreingestellt und an die jeweilige Anwendung an- gepasst werden.

Beim Erfassen der ersten und der zweiten Messsignale können sich der erste und der zweite spektrale Bereich teilweise überlappen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass zwischen dem ersten und dem zweiten spektralen Bereich keinerlei Überlappung vorhanden ist. Bei den spektralen Bereichen kann es sich zum Beispiel um Abschnitte im ultravioletten Bereich und im Infrarotbereich handeln.

Die Erfindung nutzt in einer Ausgestaltung die Erkenntnis, dass das Zeitverhalten nicht zwingend an definierte optische Liniengruppen gebunden ist. Eine statistische Analyse einer möglichen Ausfuhrung zeigte, dass die Divergenz von Punktwolken um so höher ist, je weiter mittlere Maxima von Photodioden um einen Zentralpunkt bei etwa 600 nm auseinander liegen. So zeigt in einer Ausgestaltung ein Photodiodenpaar blau/rot eine geringere Divergenz der Punktwolken, als ein Paar Ultraviolett/Infrarot (UV/IR). Bei qualitativ gleichen Signal- aussagen wird bei quantitativ ähnlichen Aussagen mit der UV/IR-Paarung eine höhere Differenzspannung gewinnbar.

Es können wahlweise optische Filter genutzt werden, um das Messlicht spektral zu filtern.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Regeln der Energiequelle ein Regeln der Temperatur des Lichtbogenplasmas umfasst. Hierbei wird aus den ersten und den zweiten Messsignale eine Temperatur des Lichtbogenplasmas ermittelt, die dann wahlweise mit einem vorgegebenen Temperaturschwellwert für den Fügeprozess verglichen werden kann, um ausgehend von dem Vergleich die Steuersignale zu erzeugen, die insoweit einer Temperaturregelung des Lichtbogenplasmas beim Fügeprozess dienen.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass für die ersten Messsignale ein ansteigender Signalverlauf und für die zweiten Messsignale ein abfallender Signalverlauf gemessen werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zumindest die ersten Messsignale oder zumindest die zweiten Messsignale vor dem Erzeugen von Steuersignalen auf einen jeweiligen Vergleichsmesssignalpegel gewandelt werden. Bei der Wandlung der Messsignale auf einen jeweiligen Vergleichsmesssignalpegel kann eine Dämpfung und / oder eine Verstärkung des Signalpegels erfolgen. Mit Hilfe der Messsignalwandlung können die ersten und die zweiten Messsignale insbesondere auf einen ähnlichen oder gleichen Signalpegel gebracht werden.

Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass beim Vergleichen die ersten und der zweiten Messsignale eine Differenzbildung zwischen den ersten und den zweiten Messsignalen ausgeführt wird. Bei der Differenzbildung ermittelte Differenzwerte können mit einem oder mehreren Schwellwerten verglichen werden, so dass die Steuersignalerzeugung in Abhängigkeit von dem Vergleich zwischen Differenzwerten und Schwellwerten erfolgt.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Steuersignale ein Abschaltsignal für die Energiequelle umfassend erzeugt werden. Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass mittels eines Haltegliedes für das Abschaltsignal ein Impulsverlängerungssignal erzeugt wird, wenn die Energiequelle einen Impulsstart vorgibt.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Steuersignale ein Anschaltsignal für die Energiequelle umfassend erzeugt werden.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Steuersignale Gegenregel- signale für die Energiequelle umfassend erzeugt werden, mit denen ein Stromniveau der E- nergiequelle abschaltfrei gegen geregelt wird.

Eine vorteilhafte Ausfuhrungsform der Erfindung sieht vor, dass die Steuersignale mittels eines Tiefpassfilters gefiltert werden. Bei dem Tiefpassfilter kann es sich zum Beispiel um einen einstellbaren, digitalen Filter handeln.

Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass in wenigstens einem weiteren spektralen Bereich, welcher sowohl von dem ersten als von zweiten spektralen Bereich wenigstens teilweise verschieden ist, weitere Messsignalen für einen weiteren zeitlichen Verlauf des Emissionslichts aus dem Lichtbogenplasma des Fügeprozesses erfasst und für das Erzeugen der Steuersignale herangezogen werden. Auf diese Weise kann ein weiterer spektraler Bereich ausgewertet werden. Zur Messwerterfassung wird bevorzugt eine weitere Photodiode verwendet.

Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass zumindest die ersten Messsignale für einen mehrere Spektrallinien des Emissionslichtes umfassenden ersten spektralen Bereich oder zumindest die zweiten Messsignale für einen mehrere Spektrallinien des Emissionslichtes umfassenden zweiten spektralen Bereich erfasst werden.

In Verbindung mit bevorzugten Ausgestaltungen der Vorrichtung zum Regeln eines Energieeintrags eines Pulslichtbogenplasmas bei einem Fügeprozess gelten die vorangehend im Zusammenhang mit gleichen Ausführungsformen des Verfahrens zum Regeln des Energieeintrags gemachten Anmerkungen entsprechend. Es kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Photodiode an einem Brennerkopf angeordnet sind. Hierbei ist eine Anordnung auf der Außenseite oder der Innenseite des Brennerkopfes möglich. In einer anderen Ausgestaltung erfolgt das Einkoppeln von Lichtsignalen über ein Lichtleitkabel, zum Beispiel in Form eines Glasfserkabels, welches das Licht zu den optischen Detektoren führt, die dann auch getrennt vom Brennerkopf angeordnet sein können, zum Beispiel in einem Schweißgerät.

Die erste und die zweite Photodiode können mittels einer Steckverbindung auswechselbar auf einer Vorverstärkerplatte angeordnet werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die erste und die zweite Photodiode sowie eine Vorverstärkereinrichtung und eine Messsignalaufbereitungseinrichtung in baulicher Einheit zu einem Spektralregler zusammengefasst.

In einer Ausführung sind die erste und die zweite Photodiode an einen Analog-Digital- Wandler gekoppelt, so dass die Messsignale in analoge Signale wandelbar sind.

Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen näher erläutert.

Das Verfahren zum Regeln des Energieeintrages kann in einer Ausgestaltung mit zwei Photodioden ausgeführt werden, deren Sensitivitäts-Maxima auf verschiedenen Wellenlängen Ll und L2 liegen, wobei mit den zwei Photodioden zwei zueinander gegenläufige Zeitfunktion oder -verlaufe für spektrale Messsignale Fl* und F2* beobachtet werden. Hierbei liegt in einer Ausgestaltung ein erstes Maximum auf der Wellenlänge Ll in dem Spektralbereich, in welchem vorrangig zu schweißende Metalle emittieren. Ein zweites Maximum L2 liegt im Bereich eines genutzten Schutzgases (zum Beispiel Argon oder Helium) und / oder eines Aktivgases wie CO ₂ - Das Maximum Ll mit der Zeitfunktion Fl* liegt vorzugsweise im Ultra- violett-Bereich (UV), das Maximum L2 mit der Zeitfunktion F2* liegt zum Beispiel im Bereich des Infrarot (IR).

Werden die gemessenen Messsignale Fl*, F2* verstärkt um Gl und G2 als Fl = Gl Fl*, F2 = G2 F2* aufgezeichnet, so ergibt sich ein Zeitverhalten, welches der Emission von Einzellinien etwa entspricht. Die Zeitfunktion Fl (im UV-Bereich) steigt mit Pulsbeginn langsam an und erreicht ihr Maximum erst bei Pulsende, während die Zeitfunktion F2 (IR-Bereich) ihr Maximum sofort nach Pulsbeginn erhält, und dann langsam abfällt.

Um sicher zu stellen, dass Verschmutzungen oder Abschattungen das Schaltergebnis nicht beeinflussen, wird in einer Ausfuhrungsform eine Differenzform gewählt. Dazu wird eine weitere Zeitfunktion F3 = F2 - Fl = G2 F2* - Gl Fl* gebildet. Dieses Differenzsignal F3 steigt mit Pulsbeginn steil an, um hernach langsam bis zum Minimum abzufallen. Eine der Zeitfunktionen, sei es Fl, kann dazu vorteilhaft mit einem Inverter INV negiert werden, um folgend mit einem Addierer SUM die Differenz F3 = F2 + (- Fl) = F2 - Fl bilden zu können.

Sei die Zeitfunktion der Photodioden Fl* und F2* und die eingestellte Verstärkung der Vorverstärker Gl und G2, so lässt sich eine Schaltbedingung über F2/F1 = (F2' G2) / (Fl' Gl) in zwei Varianten ableiten. In Quotientenform ist über Gl und G2 die Schaltbedingung abfragbar in der Form F2 / Fl == 1?. Mikroelektronisch einfacher zu realisieren ist eine Abfrage in Differenzform F2 - Fl == 0?. Auch hierfür gilt F2/F1 = 1 bei Erreichen einer idealen Schaltschwelle S=O. In Realität sollte S allerdings leicht negativ sein, um eine einfache Realisierung der Schaltfunktion zu erfüllen. Die Abschaltschwelle wird bei beiden Formen bevorzugt durch die Relation der eingestellten und zu kalibrierenden Verstärkungen Gl und G2 bestimmt. Die Varianten favorisieren bestimmte Applikationen. So ist die Quotientenform geeignet, um die Plasmatemperatur analytisch über eine Temperaturfunktion T(F2, Fl) zu schätzen. Die Differenzform hingegen ist besonders für das hier beschriebene Verfahren als schneller Regler geeignet.

Um reproduzierbare Verhältnisse zu erhalten, ist es von Vorteil, das Differenzsignal F3 = F2 - Fl in einer Ausgestaltung im Pegel zu korrigieren, bevor ein Schaltsignal abgeleitet wird. Hintergrund ist die Möglichkeit, die Quotientenform in Zähler und Nenner mit einem gleichen Faktor k zu erweitern, ohne die Schaltschwelle zu verändern. Dazu wird die Amplitude des Differenzsignals F3 mit einer automatischen Verstärkungsregelung AGC auf einen definierten Spannungswert eingestellt. Es wird hierdurch gewährleistet, dass geringe Abstandsschwankungen oder Verschmutzungen keinen Einfluss auf einen hernach im Komparator benötigten, nicht vernachlässigbar kleinen Schwellwert S haben. Der Punkt des Durchgangs von F3 kann durch einen gering unterhalb von Null liegenden Schwellwert S charakterisiert nun eine definierte Schaltschwelle, bei der die Temperatur oder Metalldampfkonzentration im Plasma einen kritischen Wert erreicht hat. Unterschreitet F3 den Wert von S, wird mit einem Komparator ein digitales Signal COMP erzeugt, welches auf logisch ,high' geht. Wird S überschritten, so geht COMP auf ,low'. Die Abschaltbedingung für COMP kann dabei in der Form F3 = F2 - FK S ? dargestellt werden.

Um sicherzustellen, dass Rauschen oder kurze Lichtblitze {shot noise) den Schweißpuls nicht versehentlich zu früh abschalten, kann in einer Ausführung ein digitaler Tiefpass SC als Pulsformungsglied zwischen die Signale COMP und STOP geschaltet werden. Der digitale Tiefpass verursacht zwangsläufig eine geringe Verzögerungszeit TD.

Eine Vorgabe der Lichtbogentemperatur wird mit den Verstärkungen Gl und G2 eingestellt und für spezifische Prozesse und Materialien über einen Prozessor μP zum Beispiel in der Schweißmaschine abgespeichert. Sie können bei Bedarf wieder aus dem Speicher geladen werden. Auf diese Weise können unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Plasmatemperaturen geschweißt werden, dadurch, dass die entsprechenden Werte für Gl und G2 geladen werden.

Um eine einfache Schnittstelle zur Schweißmaschine zu erhalten, kann es vorteilhaft sein, ein zuschaltbares Halteglied W vorzusehen, welches den ,high'- Abschaltpegel noch solange erhält, bis die Schweißmaschine von sich aus den Puls abgeschaltet hat. Dieses Halteglied ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Schweißmaschine in zwei Betriebsarten arbeiten soll:

In einer ersten Betriebsart (Pulsbetrieb) A wirkt das Halteglied W und verlängert das STOP- Signal um eine Zeit TW. Dabei startet die Schweißmaschine WM jeden Puls und der Spektralregler SR schaltet diesen wieder ab.

Eine zweite Betriebsart B, nämlich ein Dauerbetrieb oder intermittierender Pulsbetrieb, kann hingegen ohne Halteglied W ausgeführt werden. Hier wird der Schweißmaschine sowohl An- wie auch Abschaltsignal übergeben: Wenn das Plasma eine kritische Temperatur überschreitet (OFF), wird das Stopsignal STOP auf ,high' gesetzt und die Schweißstromquelle wird abge- schaltet. Wenn das Plasma die kritische Temperatur dann wieder unterschreitet (ON), geht STOP auf ,low' und der Spektralregler schaltet die Schweißstromquelle wieder ein. Auf diese Weise wird die Plasmatemperatur permanent in einem definierten Temperaturbereich gehalten, dessen Variation nur durch die Summe aller Prozessverzögerungen definiert ist.

Zur besseren Synchronisation der Tropfenablösung kann mit Betriebsart B auch ein intermittierender Betrieb gefahren werden, bei dem der Timer der Schweißmaschine einen langen Puls vorgibt, der durch den Spektralregler in Teile zerhackt wird.

Um eine störungsfreie Kommunikation mit der Schweißmaschine zu erhalten, wird das Signal STOP vorteilhaft über eine differentielle Schnittstelle RS (zum Beispiel RS485, unter Umständen auch isoliert) an die Schweißmaschine WM geliefert.

Da die Signale der Photodioden teilweise bis zu tausendfach zu verstärken sind, und asymmetrische Signalformen vorliegen, ist galvanische Kopplung aller Stufen unverzichtbar. Zur Realisierung der Verstärkungen Gl und G2 werden spezifisch entwickelte Chopperverstärker genutzt. Für deren Offsetabgleich ist es vorteilhaft, aus den Signalen Fl, F2 und/oder F3 mit einer Baugruppe AUTOSYNC ein für die Chopperverstärker verwendbares Synchronisationssignal SYNC zu erzeugen, welches jeweils in der Pulspause für den Offsetabgleich sorgt.

Um die bezeichneten, einstellbaren Werte zum Beispiel für Gl und G2 abspeichern und prozessabhängig wieder laden zu können, kann ein Mikroprozessor μP vorgesehen sein, der über ein Interface SER Einstell- Test- und Kalibrierdaten von und zur Schweißmaschine transportiert.

Eine weitere Ausformung des Verfahrens besteht darin, nach einer festen Vorverstärkung der Zeitfunktionen Fl, F2 über Analog-Digitalwandler zu gehen, um den Spektralregler per Hard- oder Software im ohnehin vorhandenen Signalprozessor der Schweißmaschine nachzubilden. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Schnittstelle SER für Parameteraustausch zwischen Spektralregler und Schweißmaschine geschaffen werden muss und ein Mikroprozessor μP entfällt. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Vorrichtung zur Regelung des Energieeintrags eines Pulslichtbogenplasmas um eine als Spektralregler bezeichnete Zusatzbaugruppe zur Schweißmaschine, die der Schweißmaschine zugeordnet ist, und die aus dem Plasmalicht ein Steuersignal STOP für die Schweißmaschine ableitet.

In einer Ausführung wird der Strom WELD einer Pulsschweißmaschine durch diesen Spektralregler abgeschaltet und je nach Betriebsart A oder B auch wieder eingeschaltet. Der Spektralregler nimmt das Plasmalicht mittels zweier spektralsensitiver Photodioden für unterschiedliche Wellenlängen Ll und L2 auf und verstärkt und verarbeitet es wie im Verfahren beschrieben zu einem Steuersignal STOP für die Schweißstromquelle.

Der Spektralregler besteht in einer Weiterbildung aus den beispielhaft in Zeichnungen erläuterten Baugruppen. Das sind: zwei Verstärker mit Verstärkungen Gl und G2 für die zwei Photodioden mit der Aufgabe der Spannungs-Stromwandlung und einstellbarer Signalverstärkung, einer Signalinversion INV, einer Summierschaltung SUM, einer automatischen Verstärkungseinstellung AGC, einem Komparator COMP, einem stellbaren, digitalen Tiefpass als Verzögerungsglied SC, einem schaltbaren Halteglied W, einer differentiellen oder optischen Schnittstellenschaltung RS sowie einer Schaltung zur Autosynchronisation AUTOSYNC, einer Schaltung zur Erzeugung interner Betriebsspannungen PWR einem Bedienteil BED, einer Spannungsversorgung PWR und einem Mikroprozessor μP zum Austausch der Einstell- Test und Kalibrierdaten mit der Schweißmaschine.

Wird der Spektralregler in SMD-Technik realisiert, so dass er im Brennerkopf Platz findet, so erhält er das Licht über eine lichtdurchlässige Öffnung im Brennerkopf oder dadurch, dass er auf der Unterseite des Brennerkopfes angeordnet direkt in den Lichtbogen schaut.

Wird der Spektralregler hingegen in der Schweißmaschine untergebracht, so kann vorteilhaft ein Lichtleitkabel zwischen Brennerkopf und Schweißmaschine vorgesehen werden, welches das Licht des Plasmas zu den Photodioden überträgt.

In Abhängigkeit von den gewählten Spektralbereichen der Photodioden kann es erforderlich sein, dass für jede Photodiode ein Lichtleitkabel passender spektraler Charakteristik verwendet wird. Eine weitere Vorrichtung betrifft austauschbare Filter. Unter Umständen kann es von Vorteil sein, breitbandige Photodioden zu benutzen und entsprechende Filtergläser mit Longpass-, Shortpass- oder Bandpass- Charakteristik vorzusehen, die fallabhängig in den Spektralregler vor die Photodioden eingeschoben werden.

Eine weitere Vorrichtung betrifft austauschbare Photodioden. So können die Photodioden vorteilhaft auf einer steckbaren Leiterkarte angeordnet sein, um bei stark abweichenden Schweißprozessen oder -materialien schnell austauschbar zu sein.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiel der Erfindung

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf

Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine grafische Darstellung eines Emissionsspektrums mit Spektrallinien in Abhängigkeit von der Wellenlänge für ein typisches Pulslichtbogenplasma,

Fig. 2 eine grafische Darstellung von Zeitfunktionen f(t) in Abhängigkeit von der Zeit,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Spektralreglers mit Photodioden,

Fig. 4 eine grafische Darstellung für Zeitfunktionen f(t) für zwei Betriebsarten und

Fig. 5 eine schematische Darstellung für eine Kombination eines Spektralreglers mit einer Pulsschweißmaschine.

Fig. 1 zeigt ein typisches Muster von Spektrallinien zu schweißender oder zu lötender Metalle ME sowie des Schutzgases Argon AR mit deren relativen Emissionen EM.

In bestimmten Bereichen sind sich in der Emission abhebende Gruppen von Linien eingekreist, die den Metallen oder dem Schutzgas (oder Aktivgas) zugeordnet werden können. Die relative Breite dieser Gruppen bietet die Chance, relativ breitbandig Photodioden zu nutzen. Es zeigt sich, dass eine Trennung im Bereich um die Wellenlänge LX (etwa 600 nm) nötig ist, um linksseitig einen typischen Zeitverlauf der Metallinien und rechtsseitig den der Argonlinien zu erhalten. Maxima der Sensitivität der zwei Photodioden mögen hier für Metalle auf der Wellenlänge Ll (hier 420 nm) und für Schutzgas (Argon) auf der Wellenlänge L2 (hier 780 nm) gewählt werden. Fig. 2 erklärt die prinzipielle Funktion eines Spektralreglers anhand von Zeitfunktionen f(t).

Die den Metallen zuzuordnende Zeitfunktion Fl steigt während des Strompulses mit der Zeit t an, die dem Schutzgas oder Aktivgas zuzuordnende Zeitfunktion F2 fällt während des Strompulses ab. Die von den zwei Photodioden gelieferten und verstärkten Zeitfunktionen Fl und F2 werden subtrahiert. Wenn Fl größer wird als F2, so wird die Differenz-Zeitfunktion F3 = F2 - Fl negativ. Durchläuft F3 die leicht im negativen liegende Schaltschwelle S, so wird daraus das Komparatorsignal COMP gebildet. Solange F3 unter der Schwelle S liegt, bleibt das Signal COMP = high. Dabei ist Fl größer F2 und das Plasma ist in dieser Zeit zu energiereich. Das Verhältnis G2/G1 der mit den Vorverstärkern eingestellten Verstärkungen bestimmt die Ab- oder Anschalttemperatur. Ein binäres Tiefpassfilter sorgt für eine Spikeunterdrückung und verursacht eine i.a. vernachlässigbare Zusatzverzögerung TD, nach der das Signal STOP ausgelöst wird (OFF). Sinkt die Temperatur, so steigt die Differenz-Zeitfunktion F3 - F2 - Fl wieder an, die Signale COMP und STOP gehen auf ,low' zurück (ON).

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild des Spektralreglers SR mit Photodioden der Wellenlängen- Sensitivitätsmaxima Ll und L2, einstellbaren Verstärkungen Gl und G2, zwei Zeitfunktionen Fl und F2, einem Inverter INV, der die Zeitfunktion Fl negiert zu -Fl, einem Addierer SUM, der die Differenz F3 = (F2 - Fl) ausgibt, einer automatischen Verstärkungsregelung AGC, einer Schaltung zur Synchronimpulsgewinnung AUTOSYNC, einem Komparator COMP, der an der Schwelle S kompariert, einer Signalkonditioniereinheit SC (bestehend aus einem digitalem Tiefpass mit einstellbarer Verzögerung), einem schaltbaren Halteglied W mit Schalterstellungen A für Pulsbetrieb und B für quasikontinuierlichen Betrieb sowie einer digitalen Schnittstelle RS, über die das Signal STOP an die Schweißmaschine WM gegeben wird. Die Betriebsspannung VDD kommt von der Schweißmaschine WM und wird in einer Spannungs- versorgungseinheit PWR aufbereitet. Ein Mikroprozessor μP kommuniziert mit der Schweißmaschine WM über ein Interface SER. Eine Bedienschnittstelle BED beinhaltet zum Beispiel Leuchtdioden oder Knöpfe für direkte Interaktion EW mit dem Spektralregler zu Einstelloder Anzeigewerten.

Fig. 4 zeigt eine Darstellung von zwei Betriebsarten anhand von Zeitfunktionen f(t). In einem Pulsbetrieb (A) startet der interne Timer der Schweißmaschine den Strompuls über das Signal PULS. Wenn die Zeitfunktion Fl über F2 steigt, schaltet der Spektralregler über das STOP- Signal den Schweißstrom WELD aus, gekennzeichnet mit ,OFF'. Um ein Wiedereinschalten der Schweißmaschine zu verhindern, wird der STOP- Pegel vom schaltbaren Halteglied noch eine hinreichend lange Zeit TW festgehalten, bis der interne Timer der Schweißmaschine abgelaufen ist, und PULS sicher zurückgefallen ist. Im quasi-kontinuierlichen Betrieb (B) wird der Strom der Schweißmaschine über das STOP- Signal ein- (ON) sowie ausgeschaltet (OFF). Der interne Timer der Schweißmaschine ist hierbei abgeschaltet, das Signal PULS liegt dabei auf ,high'-Potential. Der Spektralregler kontrolliert hierbei die Schweißmaschine. Zur besseren Synchronisation der Tropfenablösung kann mit Betriebsart B auch ein intermittierender Betrieb gefahren werden, bei dem der Timer der Schweißmaschine einen langen Puls vorgibt, der durch den Spektralregler in mehrere Teile zerhackt wird.

Fig. 5 zeigt das Prinzip der Kombination des Spektralreglers SR mit einer Pulsschweißmaschine WM.

Um die Schweißmaschine um einen Eingang für das Signal STOP zu erweitern, wird im einfachsten Fall die Verbindung vom internen Pulsgenerator PUGE zur Schweißstromquelle SSQ unterbrochen. Das Signal STOP wird negiert mit einem AND-Gatter AND eingeflochten: WELD = PULS & / STOP. Zur Erhaltung der Ionisation fließt hier der Grundstrom unberührt in Addition zum Pulsstrom.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.