用于确定电弧电压的估算值的方法与流程

本发明涉及一种用于确定在焊接电极与工件之间燃烧的电弧的电弧电压的估算值的方法，其中，以具有模型参数的焊接线路模型来求取在焊接线路上的测量位置与电弧之间的焊接线路的线路电压降，并且焊接线路模型将焊接线路建模为传递系统，所述传递系统以流经焊接线路的焊接电流或施加在所述测量位置上的测量电压作为输入参量以及以所述线路电压降作为输出参量，以便针对当前的焊接电流或当前的测量电压来求取针对线路电压降的当前的估算值，并且利用在线路电压降与电弧电压之间的已知关系来求取电弧电压的估算值。本发明还涉及一种焊接电源，在所述焊接电源中实施这样的焊接线路模型。

背景技术：

1、用于实施焊接过程的焊接电源的主要任务在于，根据焊接任务这样产生、控制和调节工艺参数、即焊接电流和/或焊接电压以及必要时还有焊丝进给，使得最终产生具有期望焊缝质量的良好的焊接结果并且由此产生良好的焊接连接。对焊接电流的调节在此具有特别的作用，因为通过焊接电流为焊接过程提供功率。为了调节焊接过程，还需要电弧电压，因为电弧电压是对于焊接过程而言重要的参数。在电弧处下降的电弧电压与电弧长度有关并且因此也与在焊接电极与工件(或熔池)之间的间距有关。然而，电弧电压在实践中无法直接测量，因此人们依赖于从间接测量中重建电弧电压。

2、由焊接电流线路(从焊接电源向焊炬或向焊接电极引导的线路)和接地线路(从工件向焊接电源引回的线路)组成的焊接线路将焊接电源与焊炬、即与焊接电极和工件连接。焊接线路一般在连接插口中连接在焊接电源上。在连接插口之间、即在焊接电流线路与接地线路之间的插口电压以及流经焊接线路的插口电流可以在焊接电源上简单地测量。所述插口电流可以与焊接电流相同，因为在焊接时与电弧并联的电流大多可以忽略。但是由于焊接线路上的电压降，插口电压并不对应于电弧电压。为了由插口电压重建电弧电压，在已知的现有技术中使用线路模型，该线路模型将焊接线路建模为线路电阻和线路电感的串联电路(r/l模型)，以便求取在焊接线路上的电压降。然后，利用测得的插口电压和测得的插口电流以及线路模型就可以求得对于电弧电压的估算值。因此，以线路模型补偿在焊接线路上的电压降以得到电弧电压的估算值。这例如由wo2000/74888a1或de102005005771b4已知。因为在这种模型中仅以一个蓄能器或动态构件来描述(线路电感l)软管束，所以该模型是一阶的。

3、r/l线路模型的参数、即线路电阻和线路电感，是已知的或者被识别的。可以在焊接期间或者也可以在焊接间歇中进行参数识别。例如，焊接电极(或焊炬的接触管)可以与工件短接。然后在电流恒定时确定线路电阻。然后可以接通电流脉冲并且由此确定线路电感。例如，在焊接期间可以将不干扰焊接过程的电流脉冲调制到焊接电流上，并且根据反应来确定模型参数。模型参数也可以由现有测量值的公式关系来连续地确定，例如在de102005005771b4中。

4、因此，在焊接电源的运行中可以估算电弧电压。然而，在实践中已经证明，使用一般的r/l线路模型在重建电弧电压时可能出现显著的估算误差，这可能给焊接过程带来负面影响。

5、通过申请人的研究已知，焊接线路的铺设对于电弧电压的重建具有大的影响。已经观察到，焊接线路经常布置在能导电的构件/部件/结构附近。这可以是焊接机器人的机械臂，或者是在工地上或车间中的钢结构，或者是金属构件(例如在造船中)，或者是钢筋混凝土件中的钢筋加强物，或者是金属的电缆管道或类似物。由于流经焊接线路的高动态焊接电流(具有陡峭的边沿和高频率的随时间变化的电流)，可能引起与这些部件的电磁相互作用。随时间变化的焊接电流在焊接线路的周围产生随时间变化的磁场。已知在处于变化磁场中的导电体中感应出电场强度，该电场强度由于导电性而直接导致在该体中产生电流密度。电流密度这样形成，使得其磁场又逆着原始场定向，这进一步导致引导电流的部件的相互作用。焊接线路中的随时间变化的焊接电流在邻接的导电材料中引起这种现象。传统的r/l线路模型不能描述这种耦合，因此在这样的情况下不能提供对电弧电压的足够准确的重建。

6、这种效应在铁磁材料、例如铁或钢中特别强烈地出现，因为磁通量密度在这种材料中可能强烈地显示出来。但是，即使在顺磁性材料中、例如铝中，也可以观察到这种效果，但是弱于在铁磁性材料中的效果。

7、因为在实际应用中，焊接线路始终必须铺设在这种导电材料附近——因为这些材料当然也必须被焊接——所以这种效应实际上总是影响焊接过程的执行。这种效应不能通过目前使用的由串联连接的线路电阻和线路电感组成的r/l线路模型来检测，由此使得电弧电压的重建变得不准确，而这又可能对可实现的焊接质量产生不利影响。

8、电弧电压不仅是用于调节焊接过程的重要参量，而且为了确定焊接过程的重要的已知特征值而言，电弧电压也是必要的，所述特征值例如是输入到待焊接的工件中的热或路段能量(streckenenergie)(也称为电弧能量)。为此也需要尽可能准确地估计电弧电压。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，改善用于在焊接过程中使用的对电弧电压的估算。

2、所述目的通过如下方式来实现：为了估算电弧电压，以焊接线路模型将焊接线路建模为阶数大于一的传递系统，并且将电弧电压的估算值确定为在测量位置上的测量电压与求得的线路电压降之间的差。已知的是，以阶数大于一的焊接线路模型在估算线路电压降时也可以考虑到焊接线路与在焊接线路的周围的导电构件的磁耦合。因此，对电弧电压的估计也顾及到焊接线路的铺设，并且可以比以往更准确地实现电弧电压的估算。估算的电弧电压可以用于调节焊接过程，例如调节焊接电流或焊丝的焊丝进给速度。由于更准确地估算电弧电压，还可以改善可实现的焊缝质量，因为可以为调节提供对电弧电压的更准确的估算。对电弧电压的估算还可以用于确定焊接过程的特征值、如路段能量、电阻值、功率值或热输入。这种特征值也可以通过更准确地估算电弧电压来更准确地求得。

3、如果焊接线路模型的模型参数不是已知的，则可以借助参数估算方法来识别这些参数。已知各种参数估算方法且这些方法易于应用，从而能够容易地确定模型参数。

4、也可以在焊接期间在短路阶段中识别模型参数，这使得能够在特定的焊接方法中不断重新确定模型参数。因此可以对在焊接线路铺设中的改变的情况做出反应。也可以在焊接之前针对输入参量和相配的输出参量的预给定的时间曲线来识别模型参数。这使得能够选择输入参量的对参数识别有利的曲线，由此能够改善参数识别。

5、在此已经表明特别有利的是，使用输入参量的具有多个上升边沿的时间变化曲线，其中，至少两个边沿的斜率变化，并且在此测量输出参量。由此能够良好地激励以焊接线路形式的传递系统，以便获得良好的测量值和对用于参数估算的输出参量的良好的估计。

技术特征：

1.一种用于确定在焊接电极(9)与工件(7)之间燃烧的电弧(10)的电弧电压的估算值的方法，其中，以具有模型参数(pm)的焊接线路模型(13)求取在焊接线路(4)上的测量位置(19)与电弧(10)之间的焊接线路(4)的线路电压降(us)，并且所述焊接线路模型(13)以流经焊接线路(4)的焊接电流(is)或施加在测量位置(19)上的测量电压(um)作为输入参量u并且以线路电压降(us)作为输出参量y而将焊接线路(4)建模为传递系统，以便针对当前的焊接电流(is)或当前的测量电压(um)求取用于线路电压降的当前估算值并且以在线路电压降(us)与电弧电压(ulb)之间的已知关系来求取电弧电压的估算值其特征在于，为了估算电弧电压以所述焊接线路模型(13)将焊接线路(4)建模为阶数大于一的传递系统，并且电弧电压的估算值确定为在测量位置(19)上的测量电压(um)与求得的线路电压降(us)之间的差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述传递系统以作为输出参量y与输入参量u的商的传递函数g(s)、gz(z)建模。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，在所述焊接电极(9)与所述工件(7)或在所述工件(7)上的熔池之间短路期间，针对数量n个输入参量u测量相配的输出参量y，并且借助于参数估计方法根据这n个输入参量u和输出参量y识别模型参数(pm)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在焊接期间在短路阶段期间识别模型参数(pm)。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，针对输入参量u和相配的输出参量y的预给定的时间变化曲线在焊接之前识别模型参数(pm)。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其特征在于，生成输入参量u的如下时间变化曲线，所述时间变化曲线具有多个上升的边沿(f1、f2)，至少两个边沿(f1、f2)的斜度是不同的。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，用于作为输入参量的焊接电流(is)的所述至少两个边沿(f1、f2)的不同的斜度在100a/ms至10000a/ms之间的范围内选择。

8.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其特征在于，以参数估算方法来最小化在输出参量的测量值与使用焊接线路模型针对输入参量求取的对输出参量的估算之间的偏差，以便确定焊接线路模型的模型参数。

9.根据权利要求3至8中任一项所述的方法，其特征在于，多次识别模型参数，调查各模型参数中的至少一个模型参数的值随时间的发展，以便获得关于在焊接线路中的故障的结论或获得关于焊接线路的不利铺设的结论。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，将焊接电流(is)的脉冲持续施加在焊接线路(4)上，直至在测量位置(19)上的测量电压(um)的值恒定，并且焊接线路模型(13)的欧姆电阻(r1)由测量电压(um)与所施加的焊接电流(is)的商来求取。

11.一种用于实施焊接过程的焊接电源，所述焊接电源具有焊接调节单元(12)，其中，在所述焊接调节单元(12)的估算单元(16)中实施具有模型参数(pm)的焊接线路模型(13)，所述焊接线路模型以传递系统的形式描述作为输入参量u的流经焊接电源(1)的焊接线路(4)的焊接电流(is)或在焊接线路(4)的测量位置(19)上施加的测量电压(um)与作为输出参量y的在焊接线路(4)上的线路电压降(us)的关系，并且焊接线路模型(13)针对当前的焊接电流(is)或当前的测量电压(um)求取用于线路电压降的当前估算值并且焊接调节单元(12)由此从在线路电压降(us)与电弧电压(ulb)之间的已知关系中求取电弧电压的估算值其特征在于，焊接线路模型(13)在估算单元(16)中建模成阶数大于一的传递系统，并且估算单元(16)实施成用于将电弧电压的估算值确定为在测量位置(19)上的测量电压(um)与求得的线路电压降(us)之间的差。

技术总结
为了改善对电弧电压的估算以用于在焊接过程中使用，提出：为了估算电弧电压以焊接线路模型(13)将焊接线路(4)建模为阶数大于一的传递系统，并且将电弧电压的估算值确定为在测量位置(19)上的测量电压(u<subgt;M</subgt;)与所求得的线路电压降(u<subgt;S</subgt;)之间的差。

技术研发人员：P·瑞特亨格,H·恩斯博瑞那,D·索林格,G·沃林格
受保护的技术使用者：弗罗纽斯国际有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13