ABICOR-Innovationspreis 2008


Große, Schweißtechnische Tagung des DVS

Dresden
17.-19.9.2008
Int. Congress Center & Maritim Hotel


  Dr.-Ing. Gerd Heinz (GFaI Berlin)

Dipl.-Ing. Frank Hofmann (TU-IWF Berlin)

  Dr. rer.nat. Heinz Schöpp  (INP Greifswald)

  Dipl.-Phys. Gregor Gött (INP Greifswald)



Echtzeit- Spektralregler für Pulsschweißmaschinen 1

Im Spektrum des Plasmas von Pulslichtbogen stecken wertvolle Informationen. Energieeintrag, Metalldampfkonzentration oder Elektronentemperatur können anhand der Emissionen von Einzellinien bestimmt werden. Will man solche Informationen nutzen, um das Plasma bei Mischverbindungen, wie AlMg oder StZn zu stabilisieren, so muß man mit spektralen Analysemethoden in den Bereich von Mikrosekunden vordringen: Bei Strompulsverfahren liegt die Änderung der Plasma- Temperatur im Bereich von mehreren Millionen Kelvin pro Sekunde.

Dieser Geschwindigkeitsbereich ist für Regler spektrometrischer Art derzeit kaum zugänglich. Die Auswertung vieler Einzellinien benötigt Rechenzeit, eine genaue Materialbeschaffenheit muß vorgegeben werden. Aus der Literatur ist zum Beispiel ein spektrometrischer Ansatz bekannt, der nach zwanzig Millisekunden zu einer Temperaturaussage kommt. Die Individualität jedes Pulses aber benötigt bei Pulszeiten von 0,5 bis 5 Millisekunden wesentlich schnellere Regelverfahren.

In paralleler Arbeit der Projektpartner konnte nun gezeigt werden, dass Gruppen von Linien bestimmter Spektralbereiche (GFaI Berlin/TU Berlin) ein analoges Zeitverhalten der Emissionen zeigen, wie Zeitfunktionen einzelner Linien (INP Greifswald). Aus der Dynamik zweier Liniengruppen zueinander (Metalle/Schutzgas) kann über deren relative Liniengruppendynamik der Energieeintrag, die Metalldampfkonzentration oder die Temperatur geschätzt werden.

Es entstand ein sehr einfaches, differentielles Regelverfahren, welches innerhalb von zehn Mikrosekunden zu einer Temperaturaussage kommt. Damit ist es schnell genug, um den Energieeintrag für jeden Puls in Echtzeit zu regeln. Basierend auf einem Differenzprinzip arbeitet das Verfahren relativ unabhängig von Verschmutzungen der Optik. Für jede Materialpaarung (Draht/Grundmaterial) ist eine Temperatureinstellung über das Verstärkungsverhältnis von zwei spektralselektiven Photodioden vorzunehmen.

Der Prototyp des Spektralreglers kommt mit etwa hundert Bauelementen aus. Zwölf Operationsverstärker und zwei spektral selektive Photodioden bilden den Kern. Der Spektralregler steuert eine Pulsschweißstromquelle über eine RS485-Schnittstelle. Er arbeitet sowohl im quasi-kontinuierlichen, als auch im Pulsbetrieb. Seit November 2007 ist ein Prototyp im Schweißlabor der TU Berlin im Testbetrieb. Er steuert dort eine Schweißmaschine Cloos Quinto GLC 403.

Mit Einsatz des Reglers wird es möglich, den Pulsstrom um bis zu 30 % gegenüber Standardwerten zu überhöhen. Neben erhöhter Prozeßstabilität ist eine Verbesserung der magnetischen Einschnürung zur Tropfenablösung möglich.

Spektralregler und Regelverfahren wurden auf Wunsch der im projektbegleitenden Ausschuß vertretenen Schweißmaschinenhersteller patentiert. Man rechnet mit einem ab Produkteinführung (etwa 2012) stark wachsenden Geschäftsfeld.

Lag das gesamteuropäische Umsatzvolumen für MIG/MAG/WIG- Geräte 2002 bei etwa 750 Mio. €, so ist in 2015 bei einem prozentualen Anteil von 5 % etwa mit einem europäischen Marktvolumen von über 50 Mio. € für spektral geregelte Geräte zu rechnen.

Weitere Arbeiten zielen auf eine rasche Produkteinführung, ein besseres Verständnis des geregelten Prozesses, der Physik von Liniengruppenintegralen verschiedener Materialkombinationen, der Untersuchung von Mischverbindungen und der Eignung für dünne Materialien. Perspektivisch sollen auch Steuerparameter der Schweißmaschine (Pulsstrom, Grundstrom, Steuerzeiten) reduziert werden.

1Gefördert durch das BMWi, Projekt 14607 BG (AiF/IGF) vom 1.2.2006 bis 31.12.2007,
 Zuwendungsempfänger: GFaI e.V. Berlin; Forschungsstellen: GFaI, INP Greifswald, TU-Berlin IWF

 



Die Preisträger 2008

1. Platz:
Dipl.-Ing. Michael Schnick (Technische Universität Dresden)

2. Platz:
Dipl.-Ing. Konrad Willms und Dr.-Ing. Guido Wilms (RWTH Aachen)

3. Platz:
Dr.-Ing. Gerd Heinz (GFaI Berlin), Dipl.-Ing. Frank Hofmann (TU-IWF Berlin),
Dr. rer.nat. Heinz Schöpp und Dipl.-Phys. Gregor Gött (INP Greifswald)