ABICOR-Innovationspreis 2008
Große, Schweißtechnische Tagung des DVS
(Link)
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. Euro, so ist perspektivisch bei einem prozentualen Anteil von 5 % etwa mit einem
europäischen Marktvolumen von 50 Mio. Euro 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)
Siehe auch Bilder von der Preisverleihung