專利名稱：用于在接合過程中調節脈沖電弧等離子體的能量輸入的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于在接合過程中調節脈沖電弧等離子體的能量輸入的方法以 及設備。
背景技術：
現有技術嘗試借助于僅測量和調節焊接電流和焊接電壓來影響脈沖焊接過程中 的能量輸入，并且在往下直至0. 7毫米的板材厚度上該嘗試都運行得足夠好。但是，待接合的板材越薄，迄今為止的焊接過程就運行得越不穩定。氧化部位、材 料應力或者間距誤差導致板材頻繁被燒穿。一方面，能量輸入必須足夠高，以便產生緊密的 材料連接，另一方面，該能量輸入又不能高得使焊縫或者焊縫金屬不合格。為了借助于引入其他影響因素來使能量輸入穩定，進行了不同的研究。在這種情 況下，已表明的是，光譜信息可以給過程運轉情況提供有益的指示。文獻中主要給出的是對 所參與的材料的光譜線的研究，以便得出過程結論。在 Han GuoMing 等人的,Acquisition and pattern recognition of spectrum information of welding metal transfer. Materals & Design, Vol. 24, Issue 8, December 2003，pp. 699-703”中指出一種借助于模式識別方法來研究電弧光譜的技術。正 確的焊接充當訓練模式。開發一種最小差距分類器(Minimum-Distanz Klassifikator)，以 便提取不同的特征。^ Li ^ A 白勺 “Precision Sensing of Arc Length in GTAff Based on Arc Light Spectrum. Journal of Manufacturing Science and Engineering. February 2001, Vol. 123，Issue 1，pp. 62-65”中嘗試利用光譜方法來確定鎢極氣體保護電弧焊(Gas Tungsten Arc Welding, GTAff)過程中的電弧長度。在696. 5nm ;+/_15nm的波長上可以將 電弧長度確定在+/-0. 2mm上。在Li 等人的"Spectral Information of Are and Welding Automation, Welding in the World, Vol. 34, (1994) 317-324” 以及在 Li Junyue 等人的 “Basic theory and method of welding arc spectral information, Chinese Journal of Mechanical Engineering 2004/02”中指出由12個方程組成的公式，用于給電弧的光譜特性建立模型。 由此出發，能夠給出對電弧狀態和狀態變化的不同結論。Valensi 等人 ^ "Experimental study of a MIG-MAG welding arc. 13th International Congress on Plasma Physics, ICPP 2006, Kiev, May22-26, 2006" Φ 如下概述能夠以何種方式來應用等離子體物理學的現代方法。因此，利用線光譜計來研 究對熔滴轉移和保護氣體的影響的假設，例如得出如下論斷“等離子體溫度似乎不應超過 20000開爾文”。Li ^AWAnalysis of an Arc Ligth Mechanism and Its Application in Sensing of the GTAff Process. Welding Research Supplement，S印t. 2000，252-260” 中，利用光譜方法來研究feis-Tungsten Arc-Welding過程(GTAW)。通過濾出氬離子線和金屬 原子線，可以得出針對+/-0. 2mm上的電弧長度的內在聯系。￠: Ancona ^AW "Optical Sensor for real-time Monitoring of C02Laser Welding Process. Applied Optics, Vol. 40, Issue 33，pp. 6019-60 ” 中，以線光譜分析的 方式確定三種元素的發射線，以便從中獲得針對等離子體溫度的信息。等離子體-電子溫 度的平均值和標準差與焊接質量之間產生相關性。但是，測量系統不是實時地工作。在 Vilarinho 等人的論文"Proposal for a Modified Fowler-Milne Method to Determine the Temperature Profile in TIG Welding. J. of the Braz. Soc. of Mech. Sci. & Eng. January-March 2004，Vol. XXVI，No. 1/35"中提出一種計算原理，以便從光譜以 及從光學信息中得出像電弧長度或者溫度那樣的參數。針對40安培( 1...2kW)，計算出 的溫度高達10000開爾文。但是，該方法不適合實時調節。線光譜分析的方案在文獻DE 10 2004 015 553 Al中有所介紹。思路是，借助于 等離子體光的光譜分解來控制焊接過程的能量輸入。線光譜計應提供控制焊接器具的調節 信息。在 Mirapeix 等人的論文 “ ^Embedded spectroscopic fiber sensor for on-line arc-welding analysis' Applied Optics，Vol. 46, Issue 16，June 2007，pp. 3215-3220，， 中提出一種類似的方案。將玻璃纖維線路置入保護氣體軟管中，并且可以非常有效地在不 嵌入燒嘴頭(Brermerkopf)中的情況下將電弧的光傳輸到光譜計。出自相同的作者，在 Mirapeixet 等人的文章“‘Fast algorithm for spectral processing with application to on-line welding quality assurance' Measurement Science and Technology, 17, (10)，洸23_2629，2006” 中介紹 了一種算法，利用該算法， 可以在單線(Einzellinie)的基礎上分析焊接過程。在此，在傳統PC上用于多線分析 (multiple peak analysis)的處理時間達到20毫秒。對于光譜法，有關最新研究的概況也 在互聯網中在網址 http://www. ilib. cn/A-jxgcxb-e200402036. html 下查看。所公知的方法的問題是極高的溫度變化。如果將約10千瓦的瞬時功率導入1立方 毫米大的等離子體內，那么產生每秒幾百萬開爾文的溫度變化。如果調節器要實時地關斷 焊接脈沖，那么為此僅幾微秒可供使用。作為軟件執行裝置(Software-Implementierimg)， 僅公知具有在毫秒范圍內延遲的調節器。因為不能使焊接電源任意快速地進行動作，所以 需要將光譜調節器的延遲盡可能最小化。為了可以產生最短的調節時間，有效利用在某一時間間隔和光譜間隔內可供使用 的數量的光子。噪聲和光譜帶寬通過如下方式相互緊密關聯帶寬和傳感器面積越小，噪聲 就越高。或者相反光電傳感器的帶寬和大小越高，有限時間間隔內的噪聲就越低。溫度記錄、輻射熱測量或者高溫測量的公知的方法的另一個問題在于，嘗試僅從 一個光譜范圍中獲取信息。但是，在制造和利用用于焊接機的光譜調節器的過程中，需要注 意各種各樣的波動這種調節器在間距波動或者有污物的情況下會顯示出不同的數值。因 此，總的來說，更合適的是建議使用差分原理。現在公知的是(參見ISBN 2-8167-6766-4，www. irb. fraunhofer. de，B41 頁，或者 http://www. choparc. de/ergebnis_inp. pcK2004 年 9 月 16 日 14 頁)或文獻 DE 10 2004 015 553 Al(W0/2005/051586))，在脈沖式電弧中，應注意保護氣體線和金屬線各個發射強 度的相反的特性。紅外線內的氬氣發射強度迅速下降，而紫外線內的等離子體金屬蒸氣線的發射則隨著電流脈沖時間上升。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種用于在接合過程中調節脈沖電弧等離子體的能量輸 入的方法以及設備，利用所述方法以及設備可以實時地盡可能省時地調節能量輸入。所述 方法應既能夠用于焊接或者釬焊器具的最簡單的能量源，又能夠用于具有內部計時器的市 場上常見的器具。此外，所述設備應支持具有盡可能小的空間需求的結構型式并且以輕便 的方式進行支持。依據本發明，該目的通過一種按獨立權利要求1所述的用于在接合過程中調節脈 沖電弧等離子體的能量輸入的方法以及一種按獨立權利要求13所述的設備得以實現。本 發明的具有優點的構造方式是從屬權利要求的主題。本發明包括用于在接合過程中，尤其是在焊接或者釬焊過程中，調節脈沖電弧等 離子體的能量輸入的方法的思想，其中，該方法包括以下步驟在第一光譜范圍內檢測針對 由接合過程的電弧等離子體發出的發射光的第一時間分布(kitverlauf)的第一測量信 號，在至少部分地不同于第一光譜范圍的第二光譜范圍內檢測針對由接合過程的電弧等離 子體發出的發射光的第二時間分布的第二測量信號，通過在評估裝置內比較第一測量信號 和第二測量信號來產生控制信號，以及調節被配置成脈沖式地為電弧等離子體提供能量的 能量源。在本發明中，利用在第一波長時具有靈敏度最大值的第一光電二極管來檢測第一 測量信號，并且利用在不同于第一波長的第二波長時具有靈敏度最大值的第二光電二極管 來檢測第二測量信號。由此使用分離的探測器裝置。利用光電二極管來檢測測量信號的優 點是，使用廉價并且以不同實施方式可供使用的元件，利用這些元件可以檢測具有某一光 譜寬度的光學信號。此外，光電二極管的使用支持實時調節，因為可以實現快速的應答時 間。 此外，本發明包括用于在接合過程中，尤其是在焊接或者釬焊過程中，調節脈沖電 弧等離子體的能量輸入的設備的思想，所述設備包括測量裝置，該測量裝置配置成利用在 第一波長時具有靈敏度最大值的第一光電二極管在第一光譜范圍內檢測針對由接合過程 的電弧等離子體發出的發射光的第一時間分布的第一測量信號，以及利用在不同于第一波 長的第二波長時具有靈敏度最大值的第二光電二極管在至少部分地不同于第一光譜范圍 的第二光譜范圍內檢測針對由接合過程的電弧等離子體發出的發射光的第二時間分布的 第二測量信號，并且所述設備包括評估裝置，該評估裝置配置成通過比較第一測量信號和 第二測量信號來產生控制信號，并且提供控制信號，用于調節電弧等離子體用的脈沖式能 量的能量源。借助于本發明，可以實現在接合過程中實時調節脈沖電弧等離子體的能量輸入的 可能性，其中可以在最短的時間內關斷或者啟動常用的電流脈沖。優選地，這一點在幾微秒 的時間范圍內進行。當在脈沖電弧等離子體內達到確定的溫度或者確定的金屬蒸氣濃度 時，可以在最短的時間內作出反應。為了產生控制信號而在評估裝置內對第一測量信號和第二測量信號進行的比較 可以包括將一個或者多個閾值包括在內，在達到或者未達到所述閾值的情況下產生確定的 控制信號。這些閾值可以由使用者來預置并且與相應的應用相適應。
在檢測第一測量信號和第二測量信號時，第一光譜范圍和第二光譜范圍可以部分 重疊。可供選擇地可以設置第一光譜范圍與第二光譜范圍之間完全不存在重疊。光譜范 圍例如可以是紫外線范圍和紅外線范圍中的區段。本發明在一種構造方式中利用如下認識時間特性不一定非得受限定的光學線組 約束。可行性的實施方式的統計分析表明，點云(Pimktwolken)的發散度越高，光電二極管 的平均最大值在約600nm處的中心點左右就分離得越遠。因此，在一種構造方式中，與一對 紫外線/紅外線(UV/IR)相比，藍/紅光電二極管對呈現出更低的點云發散度。在質上相 同的信號參量(Signalaussage)中，可以在量上類似的參量的情況下利用UV/1R對來獲得 較高的電壓差。可以有選擇地利用光學濾波器，以便光譜式地對測量光進行過濾。本發明的一種優選的改進方案設置對能量源的調節包括對電弧等離子體的溫度 的調節。在這種情況下，從第一測量信號和第二測量信號中測定電弧等離子體的溫度，然 后可以有選擇地將該溫度與用于接合過程的預先給定的溫度閾值進行比較，以便從該比較 出發地產生控制信號，所述控制信號就這點而言用于在接合過程中調節電弧等離子體的溫 度。在本發明的一種依據目的的構造方式中可以設置針對第一測量信號，測量上升 的信號分布，并且針對第二測量信號，測量下降的信號分布。本發明的具有優點的實施方式設置在產生控制信號之前，至少將第一測量信號 或者至少將第二測量信號轉換到相應的比較測量信號電平上。在將測量信號轉換到相應的 比較測量信號電平上時，可以使信號電平衰減和/或放大。借助于測量信號轉換，尤其可以 使第一測量信號和第二測量信號處于相似或者相同的信號電平上。優選地，本發明的發展方案設置在比較第一測量信號和第二測量信號時，在第一 測量信號與第二測量信號之間形成差。可以將在形成差時所測定的差值與一個或者多個閾 值比較，從而控制信號的產生依賴于差值與閾值之間的比較來進行。在本發明的具有優點的構造方式中可以設置控制信號以包括用于能量源的關斷 信號的方式產生。本發明的改進方案可以設置如果能量源給出脈沖起點，那么借助于保持環節針 對所述關斷信號產生脈沖延長信號。在本發明的依據目的的構造方式中可以設置控制信號以包括用于能量源的啟動 信號的方式產生。本發明的優選的改進方案設置控制信號以包括用于能量源的反向調節信號的方 式產生，利用所述反向調節信號，以不關斷的方式反向地調節能量源的電流水平。本發明的具有優點的實施方式設置借助于低通濾波器對控制信號進行濾波。低 通濾波器例如可以是可調的數字濾波器。優選地，本發明的發展方案設置在至少部分地既不同于第一光譜范圍又不同于 第二光譜范圍的至少一個另外的光譜范圍內，檢測針對由接合過程的電弧等離子體發出的 發射光的另外的時間分布的另外的測量信號，并且將所述另外的測量信號用于產生控制信 號。按照這種方式，可以評估另外的光譜范圍。為了檢測測量值，優選使用另外的光電二極管。
本發明的改進方案可以設置至少檢測針對包括發射光多個光譜線的第一光譜范 圍的第一測量信號，或者至少檢測針對包括發射光多個光譜線的第二光譜范圍的第二測量信號。結合用于在接合過程中調節脈沖電弧等離子體的能量輸入的設備的優選實施方 式，相應地適用前面結合用于調節能量輸入的方法的相同實施方式所作的說明。可以設置第一光電二極管和第二光電二極管布置在燒嘴頭上。在這種情況下，可 以布置在燒嘴頭的外側或者內側上。在另一種構造方式中，光信號通過例如玻璃纖維線纜 形式的光導線纜接入，該光導線纜將光引導至光學探測器，所述光學探測器也可以與燒嘴 頭分離地布置，例如布置在焊接器具內。可以借助于插塞連接將第一光電二極管和第二光電二極管以能更換的方式布置 在前置放大器板上。 在一種優選的構造方式中，第一光電二極管和第二光電二極管以及前置放大器裝 置和測量信號準備裝置整合在結構單元內，成為光譜調節器。在一種實施方式中，第一光電二極管和第二光電二極管與模擬-數字轉換器聯 接，從而可以將測量信號轉換成模擬信號。下面詳細介紹其他實施方式。在一種構造方式中，用于調節能量輸入的方法利用兩個光電二極管來實施，這兩 個光電二極管的靈敏度最大值都處于不同波長Ll和L2上，其中，利用這兩個光電二極管來 觀察光譜測量信號Fl*和F2*的兩個彼此相反的時間函數或者時間分布。在這種情況下， 在一種構造方式中，第一最大值處于如下光譜范圍內的波長Ll上，在該光譜范圍內主要是 待焊接的金屬在發射。第二最大值L2處于所利用的保護氣體(例如氬氣或者氦氣)和/ 或者活性氣體如CO2的范圍內。具有時間函數Fl*的最大值Ll優選處于紫外線范圍(UV) 內，具有時間函數F2*的最大值L2例如處于紅外線(IR)的范圍內。如果所測量的測量信號F1*、F2*以被放大Gl倍和G2倍的方式記錄為Fl =GlFl*, F2 = G2F2*，那么得出大致相應于單線(Einzellinie)發射的時間特性。(UV范圍內的)時 間函數Fl隨著脈沖開始緩慢上升并且在脈沖結束時才達到其最大值，而(IR范圍內的)時 間函數F2則在脈沖開始后立即獲得其最大值并且然后緩慢下降。為了確保污物或者陰影不影響開關結果，在一種實施方式中選擇差形式。為此形 成另一時間函數F3 = F2-F1 = G2F2*-G1F1*。該差信號F3隨著脈沖開始陡然上升，后來緩 慢下降到最小值。為此，時間函數之一，這里為F1，可以具有優點地利用反相器INV取反，以 便隨后可以利用加法器SUM形成差F3 = F2+(-Fl) = F2-F1。如果光電二極管的時間函數是Fl*和F2*并且前置放大器的所調整的增益是Gl 和G2，那么開關條件通過F2/F1 = (F2’ G2)/(F1’ Gl)可以導出兩種方案。在商形式中，通 過Gl和G2可以以F2/F1 == 1 ？的形式查詢開關條件。微電子學上更加簡單地實現的是 以差形式F2-F1 == 0 ？進行查詢。為此，在達到理想的開關閾值S = 0時也適用F2/F1 =1。然而現實中S應略微為負，以滿足簡單地實現開關函數。關斷閾值在這兩種形式中優 選通過所調整的和待校準的增益Gl和G2的關系來確定。這些方案有利于特定的應用。因 此，商形式適用于以分析的方式通過溫度函數T(F2，Fl)來估計等離子體溫度。相反，差形 式則特別適用于這里所介紹的方法以作為快速調節器。
為了獲得可再現的條件，具有優點的是，在一種構造方式中，在導出開關信號之 前，對差信號F3 = F2-F1在電平方面進行校正。背景是如下可能性，即商形式可以在分子 和分母中利用相同系數k來進行擴展，而不改變開關閾值。對此，利用自動的放大調節裝置 AGC將差信號F3的振幅調整到限定的電壓值上。由此保證很小的間距波動或者污物對后 來在比較器內所需的、不可忽略地小的閾值S沒有影響。F3轉變的點現在可以通過略低于零的閾值S來表征地形成限定的開關閾值，在該 開關閾值的情況下，等離子體內的溫度或者金屬蒸氣濃度已達到臨界值。如果F3低于S的 數值，那么利用比較器產生跳到邏輯‘高(high)’上的數字信號“比較”(COMP)。如果高于 S，那么COMP跳到‘低(low)，上。在此，COMP的關斷條件能夠以F3 = F2-F1 < S ？的形式
來表不。為了確保噪聲或者短閃光(散粒噪聲(shot noise))不會無意地使焊接脈沖過早 關斷，可以在一種實施方式中將數字低通濾波器SC作為脈沖形成環節連接在信號COMP與 信號“停止”(STOP)之間。數字低通濾波器必然引起很小的延遲時間TD。電弧溫度的預定值利用增益Gl和G2來調整并且針對特殊的過程和材料通過處理 器，例如保存在焊機內。該預定值在需要時可以重新從存儲器中載入。按照這種方式，通過 載入針對Gl和G2的相應的數值，能夠以不同的等離子體溫度對不同材料進行焊接。為了獲得至焊機的簡單接口，可能具有優點的是，設置有可接入的保持環節W，該 保持環節還將‘高’關斷電平一直保持住，直至焊機主動切斷脈沖。該保持環節尤其在焊機 要以如下兩種運行模式工作時具有優點在第一種運行模式A (脈沖運行)中，保持環節W起作用并且把STOP信號延長時 間TW。在此，焊機WM啟動每個脈沖，并且光譜調節器SR又將脈沖關斷。第二種運行模式B，即持續運行或者間歇性地脈沖運行，相反可以不帶有保持環節 W地實施。在這里，向焊機既傳送啟動信號又傳送關斷信號當等離子體超過臨界溫度時 (“關”(OFF))，將停止信號STOP置于‘高’并且關斷焊機電源。當等離子體然后又低于臨 界溫度時(“開”(0N))，ST0P跳到‘低’上并且光譜調節器又將焊接電源接通。按照這種方 式，將等離子體溫度長期地保持在限定的溫度范圍內，該溫度范圍的變化僅通過所有過程 延遲的總和來限定。為了使熔滴分離(TropfenabHisung )更好地同步，也可以利用運行模式B進行
間歇性的運行，其中焊機的計時器給出一個通過光譜調節器切分成幾部分的長脈沖。為了獲得與焊機的無干擾的通信，具有優點地將信號STOP通過差分接口 RS (例如 RS485，某些情況下也以絕緣的方式)提供給焊機WM。因為光電二極管的信號有時可以被放大至千倍并且存在不對稱的信號形狀， 所以所有級的電耦合不可或缺。為了實現增益Gl和G2，使用專門開發的斬波放大器 (Chopperverstarker)。為了對其進行偏置補償，具有優點的是，利用組件AUT0SYNC從信 號Fl、F2和/或者F3中產生可以用于斬波放大器的同步信號SYNC，該同步信號分別在脈 沖間隔內負責進行偏置補償。為了可以保存標定出的、可調整的數值例如Gl和G2并且以依賴于過程的方式重 新載入這些數值，可以設置有微處理器μ P，該微處理器通過接口 SER從焊機和向焊機傳輸 調整數據、測試數據和校準數據。
該方法的另一變型方案在于，通過模擬-數字轉換器進行時間函數F1、F2的固定 的前置放大，以便通過焊機的本來就存在的信號處理器內的硬件或者軟件來模擬光譜調節 器。這具有的優點是，不必為了光譜調節器與焊機之間的參數交換而實現附加的接口 SER 并且取消了微處理器μ P。在一種構造方式中，用于調節脈沖電弧等離子體的能量輸入的設備是加到焊機上 的、被稱為光譜調節器的附加組件，該附加組件配屬于焊機，并且該附加組件從等離子體光 中導出用于焊機的控制信號STOP。在一種實施方式中，脈沖焊機的電流“焊接”(WELD)通過該光譜調節器來關斷并且 根據運行模式A或者B再重新被接通。光譜調節器借助于兩個對不同波長Ll和L2光譜敏 感的光電二極管來接收等離子體光并且將其放大，并且像在所述方法中所述的那樣將其處 理成用于焊接電源的控制信號STOP。在一種改進方案中，光譜調節器由示例性地在附圖中說明的組件組成。所述組件 是任務是進行電壓-電流轉換和可調地進行信號放大的用于兩個光電二極管的具有增益 Gl和G2的兩個放大器、信號反向裝置INV、加法電路SUM、自動放大調節裝置AGC、比較器 C0MP、作為延遲環節SC的可調數字低通濾波器、可開關的保持環節W、差分或者光學接口電 路RS以及用于自動同步的電路AUTSYNC、用于產生內部工作電壓的電路PWR、操作件BED、電 源PWR和用于與焊機交換調整數據、測試數據和校準數據的微處理器μ P。如果光譜調節器以表面貼裝器件(SMD)技術來實現，從而該光譜調節器處于燒嘴 頭內，那么該光譜調節器通過燒嘴頭內透光的開口來接收光，或者通過如下方式來接收光， 即，該光譜調節器以布置在燒嘴頭的底側上的方式直接看到電弧。相反地，如果光譜調節器安置在焊機內，那么可以具有優點地在燒嘴頭與焊機之 間設置光導線纜，該光導線纜將等離子體的光傳輸到光電二極管。依賴于所選擇的光電二極管光譜范圍，可能需要的是，針對每個光電二極管使用 合適的光譜特性的光導線纜。另一設備涉及可更換的濾波器。此外，可能具有優點的是，利用寬帶的光電二極管 并且設置有具有長通特性(Longpass-Charakteristik)、短通特性或者帶通特性的相應的 濾光玻璃，這些濾光玻璃依賴于應用情況地插入到光電二極管前面的光譜調節器內。另一設備涉及可更換的光電二極管。因此，可以將光電二極管具有優點地布置在 可插接的印制電路板上，以便在焊接過程或者焊接材料差別很大的情況下可以迅速地進行 更換。
下面參照附圖借助實施例對本發明進行詳細說明。其中圖1示出典型脈沖電弧等離子體的發射光譜的圖解圖，該發射光譜具有依賴于波 長的光譜線；圖2示出依賴于時間的時間函數f(t)的圖解圖；圖3示出具有光電二極管的光譜調節器的方框圖；圖4示出用于兩種運行模式的時間函數f(t)的圖解圖；以及圖5示出光譜調節器與脈沖焊機組合的示意圖。
具體實施例方式圖1示出待焊接或者待釬焊的金屬ME以及保護氣體氬氣AR的帶有其相對發射EM 的光譜線的典型圖案。在確定的范圍內，圈出了在發射中突顯的線的組，這些突顯的組可以被配屬于金 屬或者保護氣體(或者活性氣體)。這些組的相對寬度提供了以相對寬帶的方式利用光電 二極管的機會。已表明，在波長LX(約600nm)左右的范圍內需要進行分離，以便在左側獲得 金屬線的典型的時間分布而在右側獲得氬氣線的典型的時間分布。兩個光電二極管的靈敏 度的最大值在這里可以針對金屬選擇在波長Ll (在這里為420nm)上和針對保護氣體(氬 氣)選擇在波長L2 (在這里為780nm)上。圖2借助時間函數f (t)來解釋光譜調節器的功能性原理。配屬于金屬的時間函數Fl在電流脈沖期間隨著時間t上升，配屬于保護氣體或者 活性氣體的時間函數F2在電流脈沖期間下降。將由兩個光電二極管提供的并且經放大的 時間函數Fl和F2相減。如果Fl大于F2，那么差時間函數F3 = F2-F1為負。如果F3穿過 略微為負的開關閾值S，那么從中形成比較器信號C0MP。只要F3低于閾值S，信號COMP = “高”就保持不變。在此，Fl大于F2并且等離子體在該時間內能量過剩。利用前置放大器 調整的放大比率G2/G1確定關斷溫度或者啟動溫度。二進制的低通濾波器負責抑制毛刺并 且引起一般情況下可以忽略的附加延遲TD，在該附加延遲之后觸發信號STOP(OFF)。如果 溫度下降，那么差時間函數F3 = F2-F1重新上升，信號COMP和STOP回到‘低’ (ON)。圖3示出光譜調節器SR的方框圖，該光譜調節器具有波長靈敏度最大值 (Wellenlangen- Sensitivitatsmaxima)Ll 和 L2 的光電二極管、可調的放大裝置 Gl 和 G2、 兩個時間函數Fl和F2、將時間函數Fl取反到-Fl的反相器INV、輸出差F3 = (F2-F1)的 加法器SUM、自動放大調節裝置AGC、用于獲取同步脈沖的電路AUT0SYNC、與閾值S進行比 較的比較器C0MP、信號調理單元SC(由帶有可調延遲的數字低通濾波器組成)、具有用于脈 沖運行的開關位置A和用于準連續運行的開關位置B的可開關的保持環節W以及數字接口 RS，通過該數字接口將信號STOP傳送到焊機麗上。工作電壓VDD來自焊機麗，并且在供電 單元PWR內被準備好。微處理器μ P與焊機麗通過接口 SER通信。操作接口 BED例如包 括發光二極管或者按鈕，用于與光譜調節器產生直接互聯EW以便調整或顯示數值。圖4借助時間函數f(t)示出兩種運行模式的圖示。在脈沖運行㈧中，焊機的內部計時器通過信號“脈沖”(PULS)啟動電流脈沖。當 時間函數Fl超過F2時，光譜調節器通過STOP信號斷開焊接電流WELD，采用‘OFF’來標注。 為了防止重新接通焊機，STOP電平由可開關的保持環節仍保持足夠長的時間TW，直至焊機 的內部計時器到期并且PULS安全地回落。在準連續運行(B)中，焊機的電流通過STOP信 號接通(ON)以及斷開(OFF)。焊機的內部計時器在這種情況下關斷，信號PULS在此處于 ‘高’電位。光譜調節器在這種情況下控制焊機。為了使熔滴分離更好地同步，也可以利用 運行模式B進行間歇性的運行，其中焊機的計時器給出一個通過光譜調節器切分成多個部 分的長脈沖。圖5示出光譜調節器SR與脈沖焊機麗組合的原理。為了使焊機擴展出用于信號STOP的輸入端，在最簡單的情況下，中斷內部脈沖發生器PUGE與焊接電源SSQ的連接。將信號STOP取反地利用“與”門電路(AND-Gatter)編 入“與”(AND)運算TOLD = PULS&/ST0P。為了實現電離，在這里除脈沖電流外，基本電流 (Grundstrom)不受影響地流動。 本發明的在前面的說明書、權利要求和附圖中所公開的特征，無論是單獨地還是 以任意組合，對在本發明的不同的實施方式中實現本發明來說都具有重要意義。
權利要求
1.用于在接合過程中，尤其是在焊接或者釬焊過程中，調節脈沖電弧等離子體的能量 輸入的方法，其中，所述方法包括以下步驟-利用在第一波長時具有靈敏度最大值的第一光電二極管在第一光譜范圍內檢測針對 由所述接合過程的電弧等離子體發出的發射光的第一時間分布的第一測量信號，-利用在不同于所述第一波長的第二波長時具有靈敏度最大值的第二光電二極管在至 少部分地不同于所述第一光譜范圍的第二光譜范圍內檢測針對由所述接合過程的所述電 弧等離子體發出的所述發射光的第二時間分布的第二測量信號，-通過在評估裝置內比較所述第一測量信號和所述第二測量信號來產生控制信號，以及-依據所述控制信號來調節被配置成脈沖式地為所述電弧等離子體提供能量的能量源。
2.按權利要求1所述的方法，其特征在于，對所述能量源的調節包括對所述電弧等離 子體的溫度的調節。
3.按前述權利要求至少之一所述的方法，其特征在于，針對所述第一測量信號，測量上 升的信號分布，并且針對所述第二測量信號，測量下降的信號分布。
4.按前述權利要求至少之一所述的方法，其特征在于，在產生控制信號之前，至少將所 述第一測量信號或者至少將所述第二測量信號轉換到相應的比較測量信號電平上。
5.按前述權利要求至少之一所述的方法，其特征在于，在比較所述第一測量信號和所 述第二測量信號時，在所述第一測量信號與所述第二測量信號之間形成差。
6.按前述權利要求至少之一所述的方法，其特征在于，所述控制信號以包括用于所述 能量源的關斷信號的方式產生。
7.按權利要求6所述的方法，其特征在于，如果所述能量源給出脈沖起點，那么借助于 保持環節針對所述關斷信號產生脈沖延長信號。
8.按前述權利要求至少之一所述的方法，其特征在于，所述控制信號以包括用于所述 能量源的啟動信號的方式產生。
9.按前述權利要求至少之一所述的方法，其特征在于，所述控制信號以包括用于所述 能量源的反向調節信號的方式產生，利用所述反向調節信號，以不關斷的方式反向地調節 所述能量源的電流水平。
10.按前述權利要求至少之一所述的方法，其特征在于，借助于低通濾波器對所述控制 信號進行濾波。
11.按前述權利要求至少之一所述的方法，其特征在于，在至少部分地既不同于所述第 一光譜范圍又不同于所述第二光譜范圍的至少一個另外的光譜范圍內，檢測針對由所述接 合過程的所述電弧等離子體發出的所述發射光的另外的時間分布的另外的測量信號，并且 將所述另外的測量信號用于產生所述控制信號。
12.按前述權利要求至少之一所述的方法，其特征在于，至少檢測針對包括所述發射光 的多個光譜線的第一光譜范圍的所述第一測量信號，或者至少檢測針對包括所述發射光的 多個光譜線的第二光譜范圍的所述第二測量信號。
13.用于在接合過程中，尤其是在焊接或者釬焊過程中，調節脈沖電弧等離子體的能量 輸入的設備，具有-測量裝置，所述測量裝置配置成利用在第一波長時具有靈敏度最大值的第一光電二 極管在第一光譜范圍內檢測針對由接合過程的電弧等離子體發出的發射光的第一時間分 布的第一測量信號，以及利用在不同于所述第一波長的第二波長時具有靈敏度最大值的第 二光電二極管在至少部分地不同于所述第一光譜范圍的第二光譜范圍內檢測針對由所述 接合過程的所述電弧等離子體發出的所述發射光的第二時間分布的第二測量信號，以及-評估裝置，所述評估裝置配置成通過比較所述第一測量信號和所述第二測量信號來 產生控制信號，并且提供控制信號用于調節所述電弧等離子體的脈沖式能量的能量源。
14.按權利要求13所述的設備，其特征在于，所述第一光電二極管和所述第二光電二 極管布置在燒嘴頭上。
15.按權利要求13或14所述的設備，其特征在于，所述第一光電二極管和所述第二光 電二極管以及前置放大器裝置和測量信號準備裝置整合在結構單元內，成為光譜調節器。
16.按權利要求13至15至少之一所述的設備，其特征在于，所述第一光電二極管和所 述第二光電二極管借助于插塞連接以能更換的方式布置在前置放大器板上。
17.按權利要求13至16至少之一所述的設備，其特征在于，所述第一光電二極管和所 述第二光電二極管與模擬-數字轉換器聯接。
18.按權利要求13至17至少之一所述的設備，其特征在于，所述測量裝置配置成在至 少部分地不同于所述第一光譜范圍和所述第二光譜范圍的另外的光譜范圍內檢測針對由 所述接合過程的所述電弧等離子體發出的發射光的另外的時間分布的另外的測量信號。
19.按權利要求18所述的設備，其特征在于，所述測量裝置為了檢測所述另外的測量 信號而具有另外的光電二極管，所述另外的光電二極管在不同于所述第一波長和所述第二 波長的另外的波長時具有靈敏度最大值。
全文摘要
本發明涉及一種用于在接合過程中，尤其是在焊接或者釬焊過程中，調節脈沖電弧等離子體的能量輸入的方法以及用于調節能量輸入的設備，其中，該方法包括以下步驟利用在第一波長時具有靈敏度最大值的第一光電二極管在第一光譜范圍內檢測針對由接合過程的電弧等離子體發出的發射光的第一時間分布的第一測量信號，利用在不同于第一波長的第二波長時具有靈敏度最大值的第二光電二極管在至少部分地不同于第一光譜范圍的第二光譜范圍內檢測針對由接合過程的電弧等離子體發出的發射光的第二時間分布的第二測量信號，通過在評估裝置內比較第一測量信號和第二測量信號來產生控制信號，以及依據控制信號來調節被配置成脈沖式地為電弧等離子體提供能量的能量源。
文檔編號B23K9/095GK102143822SQ200980134545
公開日2011年8月3日 申請日期2009年9月3日 優先權日2008年9月3日
發明者弗蘭克·霍夫曼, 格爾德·海因茨, 格雷戈爾·格特, 海因茨·舍普 申請人:Ipal有限責任公司, 柏林工業大學