用于在电弧的点燃时限制能量的方法和设备与流程

本发明涉及一种用于安全运行焊接装置的方法，其中，将在焊接装置的低压侧上出现的低压脉冲转换为在焊接装置的高压侧上出现的高压脉冲，其中，在点火运行期间在使用高压脉冲的情况下在电极处点燃电弧。本发明此外涉及一种用于具有低压侧和高压侧的焊接装置的能量限制单元，以及一种焊接装置，该焊接装置包括：低压源，所述低压源设计为，在低压侧上生成低压脉冲；以及包括转换单元，所述转换单元用于将在低压侧上生成的低压脉冲转化为在高压侧上的高压脉冲，该高压脉冲用于在高压侧上在电极与工件之间点燃电弧；以及包括按照本发明的能量限制单元。

背景技术：

1、在一些焊接装置中，将低压脉冲转换为高压脉冲。该高压脉冲大多包含100微焦耳(μj)至10焦耳(j)的能量且在点火过程期间用于在电极处点燃电弧。在点火过程之后，当电弧燃烧时实施实际的焊接过程，其中，在此当然相比于点火运行在电极处出现大得多的能量值。文献at 413 953b公开一种用于在使用组合为脉冲束的点火脉冲的情况下无接触地点燃电弧的方法。由此使在点火过程中输出的能量值基本上保持为小。文献wo 2012/162582 a1描述一种在焊接过程期间对输出到工件的能量值的监控。

技术实现思路

1、本发明的任务在于，提出一种用于安全运行焊接装置的方法和一种用于焊接装置的能量限制单元。

2、该任务按照本发明如此解决，其方式为在点火运行中设有从开始时刻延伸至结束时刻的时间窗，其中，在时间窗期间确定在电极处出现的点火能量值且将其与能量边界值比较，在超过能量边界值的情况下触发动作，以便在时间窗中阻止在电极处另外的点火能量。此外该任务借助于能量限制单元解决，其中，能量限制单元包括能量确定单元，所述能量确定单元设计为，在焊接装置的点火运行中在从开始时刻延伸至结束时刻的时间窗期间确定在电极处出现的点火能量值。能量限制单元包括能量比较单元，所述能量比较单元设计为，将点火能量值与预定的能量边界值比较。能量限制单元此外包括阻断单元，所述阻断单元设计为，在超过能量边界值的情况下触发动作，以便在时间窗中阻止在电极处另外的点火能量。此外，该任务通过焊接装置解决，所述焊接装置包括：低压源，其中，所述低压源设计为，在低压侧上生成低压脉冲；以及包括转换单元，所述转换单元用于将低压脉冲转化为施加(anliegen)在高压侧上的高压脉冲，该高压脉冲用于点燃电弧；以及包括按照本发明的能量限制单元，其中，所述阻断单元设计为，通过所述动作在时间窗中阻止在电极处出现另外的点火能量，其方式为在时间窗中阻止在低压侧上的另外的低压脉冲和/或在高压侧上的高压脉冲和/或在高压侧上的辅助电压脉冲。优选地，在限定的持续时间的能量边界值在在0.01至100焦耳的范围中、优选地在0.1至10焦耳的范围中、特别优选地在0.5至5焦耳的范围中。此外也可以寻求4焦耳/秒的能量边界值。

3、因此可以在点火运行和/或空载运行和/或优选地在焊接运行中确保：在电极处设定的点火能量值不超过能量边界值，由此可以阻止：如果焊接装置的使用者碰到电极或与电极接触，那么该使用者在点火过程中遭受危险或有害健康的电击。相比于焊接运行，在点火运行或空载运行期间对于焊工很可能的是，在高压侧上与高压脉冲接触，因为该高压脉冲施加在焊炬的电极上，尽管可能不出现电弧。相比之下，焊工与低压侧上的低压脉冲的直接接触不太可能，因为仅仅可能在焊接装置内摸到低压脉冲。在焊接运行的情况下，在电极处出现的高压脉冲(以及必要时还有辅助电压脉冲，参见下文)对于焊工不太危险，因为能量通过工件几乎完全流走且不太可能的是，焊工伸手到燃烧的电弧中。此外，在一定情况下也可以在焊接运行中期望能量限制，因此也可以在焊接运行中检测：点火能量是否超过能量边界值，且在超过的情况下可以触发动作。将焊接运行理解为在电极与工件之间至少暂时维持(aufrechten)的电弧，所述电弧将如此高的能量引入到工件中或工件表面上，从而发生工件表面的熔化、亦即工件表面的组织变化或者至少工件表面的一般变化。此外，将焊接运行理解为以大于100焦耳/秒、大于10焦耳/秒或者大于4焦耳/秒的功率将能量引入到工件中。优选地，电弧在焊接运行期间已经在燃烧，相比之下在点火运行中点燃所述电弧。将点火运行理解为在电极尖端与工件之间初次产生电离路径(ionisationsstrecke)和/或初次产生电弧，以及在电弧熄灭之后在电极尖端与工件之间再次产生电离路径和/或再次产生电弧。此外，将点火运行理解为以小于等于4焦耳/秒的功率将能量引入到工件中和/或将能量引入到气体路径(gasstrecke)中。空载运行描述在焊接装置达到焊接准备状态与开始点火运行之间的时间。点火能量值可以在硬件单元和/或软件单元中确定。点火能量值的确定优选地按照多种类型来确定，以便通过冗余保证高安全性。

4、优选地，在时间窗期间将高压脉冲的高压能量值合计；且该高压能量值用于确定在电极处出现的点火能量值。这例如可以借助于对在时间窗中出现的高压脉冲进行积分来实现。

5、此外，可以预定低压脉冲的能量值；且对在时间窗期间出现的高压脉冲计数且将其与低压脉冲的能量值相乘，以便确定在时间窗期间合计的高压能量值。优选地假定，高压能量值等于点火能量值(特别是如果不设有辅助电压脉冲，参见下文)。多个高压脉冲可以组合为高压脉冲束，其中，高压脉冲可以具有几个纳秒至多个微秒的持续时间。因此，低压脉冲束的全部能量值可以是已知的并因此高压脉冲束的全部能量值是已知的。因此又可以在时间窗期间对低压脉冲束的数量计数，以便确定合计的高压能量值。

6、特别有利的是，在时间窗期间将低压脉冲的低压能量值合计；且该低压能量值用于确定在电极处出现的能量值。低压脉冲在相同的时间间隔中(除去损耗，所述损耗可估算和/或可计算和/或恒定)包括与所属的高压脉冲相同的能量含量。因此，可以通过测量在低压侧处出现的低压能量值来确定施加在电极上的高压能量值。因此，低压能量值可以用于确定点火能量值。优选地假定，低压能量值等于点火能量值(特别是，如果不设有辅助电压脉冲，参见下文)。低压侧上低压能量值的测量相比于高压侧上(等效)高压能量值的测量更成本有利且不易受到干扰。高压脉冲的电压可以在1千伏至50千伏的范围中、例如大约10千伏。低压能量值的确定例如可以通过在时间窗中对低压脉冲进行积分来确定。

7、优选地，预定低压脉冲的能量值；对在时间窗期间出现的低压脉冲计数且将其与低压脉冲的能量值相乘，以便确定在时间窗期间合计的低压能量值。因此可以在时间窗期间准确地确定低压能量值。

8、为了确定低压能量值，对于低压脉冲也可以预定每个时间单位的能量值。时间单位在此作为用于时间测量的物理单位可以预定为秒s、毫秒ms或者优选地微秒μs。如果在时间窗内所有在时间窗中出现的低压脉冲的脉冲持续时间的和是已知的，那么为了在时间窗中确定低压能量值，可以将时间窗中低压脉冲的脉冲持续时间的和与每个时间单位的预定的能量值相乘。为了确定低压脉冲的脉冲持续时间，可以通过软件技术和/或硬件技术来确定并因此测定或测量在时间窗中的每个单个的低压脉冲的脉冲持续时间。每个时间单位的能量值在此优选地可以按焦耳/微秒为单位指定。

9、如果多个高压脉冲组合为高压脉冲束，那么相应地也可以将低压脉冲组合为低压脉冲束。如果低压脉冲束的能量值是已知的，那么可以在时间窗期间对低压脉冲束的数量计数，以便确定在时间窗期间合计的低压能量值。

10、作为动作可以阻断另外的低压脉冲的生成，由此又阻断高压脉冲的生成。为此，阻断单元可以设计为，作为动作阻断另外的低压脉冲的产生。阻断单元可以设计为，使得主动干预到脉冲产生单元中，以便阻断低压脉冲的产生，所述脉冲产生单元设定用于产生低压脉冲和因此接着产生高压脉冲。因此可以确保：在时间窗中不出现另外的低压脉冲。对于焊接运行可以设有与用于点火运行的能量边界值相同或不同的能量边界值。而且用于点火运行的能量边界值可以是与用于空载运行的能量边界值不同的能量边界值。而且可以区分用于焊接运行、点火运行以及空载运行的要触发的动作，其中，通过不同的动作分别在时间窗中阻止在电极处出现另外的点火能量。

11、当焊接装置处于焊接运行时，可以停用低压能量值的合计和/或与低压能量边界值的比较和/或动作的触发。但是也可以规定，当焊接装置处于焊接运行时，激活低压能量值的合计和/或与低压能量边界值的比较和/或动作的触发。

12、可以设有探测单元，所述探测单元设计为，区分焊接装置的焊接运行与焊接装置的点火运行和/或空载运行，且在焊接运行中必要时停用能量确定单元和/或能量比较单元和/或阻断单元并在点火运行和/或空载运行中必要时将其激活。

13、电弧的点燃或再点燃通过在电极处产生的高压脉冲来实现。在实现点火过程之后，在电极上施加焊接电压，由此焊接电流流动。因为在焊接过程期间期望高的功率输出，所以可以在焊接运行中停用能量限制。

14、通过评估通过电流、总通过电流和/或辅助通过电流可以非常快速和准确地区分焊接装置的不同的运行状态(焊接运行、点火运行、空载运行、…)。附加地，评估可以直接在配设给焊接装置的逆变器上实现，由此可以在没有附加延迟的情况下识别运行状态且可以立刻激活能量限制单元的安全功能。通过在探测单元中测量通过电流因此同样可以确定电弧实现点燃的时刻。因此总系统的能量限制可以限于与安全相关的时刻。相比于过程电流测量和/或过程电压测量——其通常在逆变器之外发生——直接在逆变器中的直接的电流和/或电压测量在测量的速度、测量数据评估以及测量的易受干扰性方面显著更有利。由此以该形式的测量优选地也用于安全关键和安全相关的应用。

15、然而，如果焊接装置设计为用于交流电压焊接，那么在电极处出现的焊接电流具有优选地周期出现的交零。为了阻止在交零期间电弧熄灭，可以设有附加的辅助电压、特别是辅助直流电压，所述辅助电压可以为例如200至300v。在直流电压焊接中，在焊接过程期间通常不出现交零，在所述交零中电弧可能熄灭。因此在焊接装置中设计为，为了直流电压焊接通常不设有辅助电压脉冲。辅助电压脉冲如高压脉冲那样施加在焊炬的电极上，由此该辅助电压脉冲在点火运行和/或空载运行期间同样对于焊工是可接近的。

16、在多工艺焊接装置——其可以处理多于仅仅一个焊接工艺、如手工电弧焊工艺(e-hand-焊接)、mig/mag焊接工艺(金属惰性气体焊接/金属活性气体焊接)或者wig焊接工艺(钨极惰性气体焊接)——中同样可以想到的是，使用辅助电压源用于直流电压焊接。以这种方式例如可以在工艺转变的情况下、例如在从直流电压焊接转变到交流电压焊接的情况下提高稳定性。通过使用辅助电压源用于直流电压焊接，特别是但可以在mig/mag焊接中也遏制电弧的熄灭。

17、优选地，将辅助电压脉冲引入到高压侧上，以便支持电弧的点燃；且在时间窗期间将辅助电压脉冲的辅助电压能量值合计，以便确定辅助电压能量值，且辅助电压能量值用于确定在电极处出现的点火能量值。通过触发动作，在时间窗中阻止另外的辅助电压脉冲。

18、特别是对于交流电压焊接，在使用辅助电压脉冲方面，可以区分电弧的点燃与在交零时电弧的维持，以便确保：辅助电压能量值的限制仅仅在安全关键的时间窗中、亦即在点火期间且不是在交零期间发生。

19、为了产生辅助电压脉冲，焊接装置可以包括至少一个辅助电压源。辅助电压脉冲可以改善电弧的点燃且例如位于100v至1kv的范围中、优选地位于200v至300v的范围中。辅助电压脉冲具有多个微秒至多个毫秒的持续时间。

20、此外，可以按照软件或硬件来限制辅助电压脉冲的脉冲持续时间，从而辅助电压脉冲的脉冲持续时间例如在点火运行中为最高40μs和/或在焊接运行中为最高600μs。

21、如果设有辅助电压脉冲，那么有利的是，根据辅助电压能量值与高压能量值的和或者根据辅助电压能量值与低压能量值的和确定点火能量值。

22、辅助电压脉冲可以与高压脉冲在时间上同步、优选地叠加。此外，高压脉冲可以与辅助电压脉冲在时间上同步、优选地叠加。因此可以有利于在焊接电流的交零中维持电弧。为了同步，可以在高频(hf)点火单元与辅助电压源之间使用反馈信号。这具有如下优点，即，对于同步不需要电压测量，因此也不出现干扰变量或可避免的延迟。反馈信号例如可以在高频(hf)点火单元的每次驱控时产生且发送到逆变器并因此发送到辅助电压源。逆变器优选地了解高频(hf)点火单元的再充电过程的延迟时间且也了解所述逆变器本身的运行时间以及辅助电压源的延迟时间且可以由此与高频脉冲同步地激活辅助电压源。此外在此又可以与辅助电压源同步地激活高压源。有利的是，在高频脉冲的产生中以及在辅助电压脉冲的产生中考虑全部延迟时间(印制运行时间(printlaufzeiten)、切换过程、…)，直至相应的电压实际上施加在电极上，以便能实现准确的同步。因此可能的是，根据应用启动辅助电压源，使得在辅助电压供给不久之前、不久之后或者期间可以定位高频脉冲，且可以根据应用情况优化点火特性。

23、可以预定辅助电压脉冲的能量值，其中，对在时间窗期间出现的辅助电压脉冲计数且将其与辅助电压脉冲的能量值相乘，以便确定在时间窗期间合计的辅助电压能量值。辅助电压能量值也可以通过在时间窗中对辅助电压脉冲进行积分来确定。

24、而且对于辅助电压脉冲，为了计算辅助电压能量值可能的是，预定每个时间单位的能量值，例如同样以j/μs为单位。为了确定通过辅助电压脉冲传输的辅助电压能量值，可以通过软件技术和/或硬件技术来确定给定的辅助电压脉冲的脉冲持续时间，且以此可以测定在时间窗中出现的辅助电压脉冲的脉冲持续时间的和。在时间窗中通过辅助电压脉冲传输的辅助电压能量值因此可以通过在时间窗中出现的辅助电压脉冲的脉冲持续时间的和与每个时间单位的预定的能量值相乘来计算。

25、作为动作也可以在时间窗中阻断生成另外的辅助电压脉冲，例如其方式为停用辅助电压源。

26、也可以在时间窗中根据能量边界值与点火能量值的差来确定剩余能量值，且根据剩余能量值确定：是否通过所触发的动作来在时间窗中阻止另外的辅助电压脉冲和/或高压脉冲。

27、当焊接装置处于焊接运行时，可以停用辅助电压能量值的合计和/或与辅助电压能量边界值的比较和/或另外的动作的触发。

28、能量限制单元可以实施为独立的元件、也可以实施为焊接装置的一体的部件或者实施为焊接组件(如例如逆变器或高频(hf)点火单元的)一体的组成部分。(一个或多个)能量确定单元和/或(一个或多个)能量比较单元和/或(一个或多个)阻断单元可以是能量限制单元的一体的组成部分或分布式地布置。

29、特别有利的是，连续地移动时间窗，从而结束时刻等于当前时刻。因此连续地确定在当前时刻结束的时间窗期间低压脉冲的能量值，亦即在某种意义上看向过去该时间窗。这可以通过简单的方式来实现，其方式为至少在时间窗的持续时间上记录低压脉冲。因此获得每个观测时段的能量值的实时测量。观测时段优选地位于0.01至60秒的范围中、优选地位于0.25至5秒的范围中且特别优选地位于0.5至2秒的范围中。此外，也可以寻求1秒的观测时段。

30、特别有利的是，在超过能量边界值之前确定当前在时间窗中出现的点火能量值且基于点火能量值已经提前阻断低压脉冲和/或辅助电压脉冲的生成。如此在点火能量值远离能量边界值的情况下有利的可以是，如果即使在后一种情况下足够可能没有达到能量边界值，却不是阻断另外的低压脉冲和辅助电压脉冲，而是仅仅阻断低压脉冲或辅助电压脉冲的生成。