Unterdrückung von Plasmarauschen in Hochspannungs-Rückkopplungsschleifen beim Laserschweißen

Unterdrückung von Plasmarauschen in Hochspannungs-Rückkopplungsschleifen beim Laserschweißen

Abstract

Ein Schweißplasma injiziert Rauschen in die Signale, die die Hochspannungsausgabe regeln. Der Regelkreis reagiert auf diese Störung mit einer eigenen Modulation. Dieser Artikel beschreibt die drei Injektionspfade, erläutert die Filter- und Kerbfilterarithmetik zur Trennung des Plasmabandes vom Regelband und beschreibt die Schritte zur Erfassung, Filterung und Abschirmung, die eine stabile Unterdrückung über den gesamten Temperaturbereich gewährleisten.

1. Einleitung

Hochspannungseinheiten für das Laserschweißen regeln die Ausgangsspannung über einen Regelkreis, der die Spannung abtastet, mit einem Referenzwert vergleicht und die Schaltstufe anpasst. Verstärkung, Grenzfrequenz und Phasenreserve ergeben sich aus den Modellen der Leistungsstufe und des Filters.

Diese Modelle berücksichtigen das Schweißplasma selten. Das Plasma stellt eine nichtlineare, zeitlich veränderliche Last dar und verursacht Rauschen in den Signalen, von denen die Regelschleife abhängt. Seine Frequenzschwankungen reichen von 1 kHz bis 100 kHz mit Ausbrüchen im Megahertzbereich, seine Lichtbogendynamik moduliert den Laststrom, und seine Felder koppeln in ungeschirmte Leiter ein.

Die Folgen sind zweifach. Plasmainduzierte Restwelligkeit tritt in der abgetasteten Spannung auf, wodurch der Regelkreis Lastrauschen als Ausgabefehler interpretiert und gegen ein Phantom korrigiert, das der Schweißstörung zusätzliche Schwingungen hinzufügt. Die abgestrahlte Komponente koppelt in den hochohmigen Messknoten ein, wo wenige Millivolt den Fehlerschwellenwert überschreiten und eine Fehlregelung auslösen.

Messdaten von Schweißanlagen im Betrieb verdeutlichen das Ausmaß. Bei einer 10-kW-Anlage übertrug der Rückkopplungsknoten 150 bis 250 mV Plasmarauschen auf ein 1-V-Messsignal. Die Hochspannungsausgabe modulierte daraufhin um ±5 % der Schweißleistung, und die Einbrandtiefe variierte um 0.2 mm, was die Grenzwerte für Schweißnähte in der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbau nicht einhält.

2. Kernmechanismus

2.1 Einspeisepfade in den Rückkopplungsknoten

Der Lastpfad moduliert den Ausgangsstrom, und der Teiler tastet die dadurch entstehende Restwelligkeit auf dem Bus ab:

V_noise = ΔI_plasma × Z_bus(f)

Dabei ist V_noise die Rauschspannung am Messknoten, ΔI_plasma die Plasmastromamplitude und Z_bus(f) die Busimpedanz bei dieser Frequenz. Bei 2 A und 0.1 Ω Busimpedanz bei 5 kHz beträgt V_noise 200 mV.

Der Strahlungspfad koppelt das Lichtbogenfeld in die Messverdrahtung ein:

V_pickup = h_eff × E_arc

Dabei ist V_pickup die eingekoppelte Spannung, h_eff die effektive Antennenhöhe der Messschleife und E_arc das elektrische Feld des Lichtbogens. Bei 10 cm und 5 V/m erreicht der ungünstigste Wert 0.5 V. Der Massepfad führt zu einem dritten Term, da der Schweißstrom über den Rahmen zurückfließt und die Masse des Messkreises kompensiert.

2.2 Filtertopologie und Eckfrequenz

Ein passiver Tiefpassfilter zweiter Ordnung am Messknoten unterdrückt das Plasmaband, während er das Steuerband durchlässt:

f_c = 1 / (2π × √(R1 × C1 × R2 × C2))

Dabei ist f_c die Eckfrequenz, R1 und R2 die beiden Serienwiderstände und C1 und C2 die beiden Parallelkondensatoren. Bei R = 100 kΩ und C = 160 pF liegt die Eckfrequenz bei 9.9 kHz. Dadurch wird das 100-kHz-Plasmaband um 40 dB gedämpft, während das Regelband unterhalb von 1 kHz unverändert bleibt.

Wo sich das Plasmaflimmern bei einer bekannten Frequenz konzentriert, sorgt eine Doppel-T-Sperre für zusätzliche Unterdrückung, ohne das Steuerband zu belasten:

f_notch = 1 / (2π × R × C)

Dabei ist f_notch die Mittenfrequenz der Kerbe. Bei R = 100 kΩ und C = 320 pF liegt die Kerbe bei 5 kHz und reduziert die dominante Plasmalinie um 30 dB.

2.3 Drift der Filterecke

Die Filterkomponenten befinden sich im Rückkopplungspfad, sodass ihre Toleranz und Drift direkt in die Schleife einfließen. Die Ecke verschiebt sich mit der Quadratwurzel des Kapazitätsprodukts:

f_c ∝ 1 / √(C1 × C2)

Dabei ist f_c die Grenzfrequenz und C1 und C2 die Filterkondensatoren. Keramikkondensatoren der Klasse II verlieren mit zunehmender Maschinentemperatur 20 % ihres Kapazitätswerts, wodurch die Grenzfrequenz von 9.9 kHz auf 12.4 kHz ansteigt. Das Plasmaband liegt dann im Durchlassbereich, wenn die Schweißung am stärksten ist.

Dieselbe Drift führt zu einer Phasenverschiebung am Übergang, sodass ein Filter aus Bauteilen der Klasse II die gemessene Toleranz ungültig macht. Ein Bauteil der Klasse I mit einem Koeffizienten von ±30 ppm/°C verschiebt sich um 0.3 % über 100 °C und hält den Übergangsbereich innerhalb von 0.5 %.

2.4 Gleichtaktunterdrückung

Der durch den Rahmen zurückfließende Schweißstrom erhöht die Messmasse um 5 bis 8 V über die Steuermasse. Ein Differenzialeingang dämpft diesen Offset durch sein Unterdrückungsverhältnis.

V_residual = V_cm / 10^(CMRR / 20)

Dabei ist V_residual die Gleichtaktspannung, die den Eingangsbereich übersteht, V_cm die Massepotentialdifferenz und CMRR das Unterdrückungsverhältnis in dB. Bei 8 V Offsetspannung und 90 dB Unterdrückung erreichen 0.25 mV den Filter, gegenüber 8 V.

Abb. 1 — Buswelligkeit und Lichtbogenaufnahme erzeugen 150 bis 250 mV an einer 1 V Messleitung; differentielle Abtastung, ein 5 kHz Kerbfilter und Filter der Klasse I beseitigen die darauf folgende Phantomregelung.

3. Schwachstellen im Engineering

Problempunkt 1: Der Regelkreis gleicht Phantomplasmafehler aus.

Bei einem Plasmarauschen von 200 mV auf einem 1-V-Messsignal akkumuliert der Integrator das Rauschen, und das Ausgangssignal moduliert mit der Plasmaflimmerfrequenz. Das hörbare Ergebnis ist ein brummendes Geräusch von der Quelle, und das gedruckte Ergebnis ist eine Schweißleistungsschwankung von ±5 %, die dem Schweißrezept angelastet wird.

Problempunkt 2: Filterkomponenten driften und öffnen den Rauschpfad erneut.

Ein mit Keramik der Klasse II gefertigter Filter verliert mit steigender Maschinentemperatur an Trennschärfe. Ein im Kaltstart auf 9.9 kHz abgestimmter Filter liegt bei Betriebstemperatur bei 12.4 kHz, und das Plasmaband tritt genau dann wieder in den Durchlassbereich ein, wenn die Schweißung am stärksten beansprucht wird.

Problempunkt 3: Gleichtaktstörungen beeinträchtigen die einseitige Erfassung

Wenn die Messleitung auf eine Masse mit einem Schweißrückspannungspotenzial von 5 bis 8 V bezogen ist, gleicht die einseitige Abtastung den Offset aus und treibt den Verstärker in die Sättigung. Die Maschine wechselt dann zwischen Fehlauslösungen und Totzeiten, und eine Produktionsschweißlinie kann ohne beides nicht betrieben werden.

Problempunkt 4: Bandbreitenkonflikte bei der Filterung mit dem Einschwingverhalten

Eine Filterung, die das Feedback bereinigt, verlangsamt auch die Reaktion des Regelkreises auf einen tatsächlichen Lastsprung. Übermäßig gefilterte Konstruktionen stabilisieren sich beim Schweißbeginn doppelt so langsam, wodurch die ersten 10 mm jeder Naht schwach und außerhalb der Spezifikation liegen.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Differenzielle Probenahme mit einem Frontend mit hohem CMRR

Die Rückkopplung wird über ein Differenzverstärkerpaar mit Gleichtaktunterdrückung von über 90 dB bei 10 kHz abgeleitet. Dadurch wird die Massekomponente von 5 bis 8 V eliminiert, bevor sie vom Filter erfasst wird. Nachrüstungsmessungen reduzieren das gesamte Rückkopplungsrauschen um 60 %. Verwenden Sie ein angepasstes Dickschichtwiderstand Das Paar im Teiler wird so eingestellt, dass das Verhältnis über die Temperatur hinweg erhalten bleibt.

Strategie 2: Eine Kerbe auf die gemessene Plasmafrequenz einstellen

Messen Sie bei der Inbetriebnahme das Flimmerspektrum, das üblicherweise eine dominante Linie zwischen 2 kHz und 8 kHz aufweist, und platzieren Sie dort eine Doppel-T-Sperre. Eine 30-dB-Sperre entfernt die periodische Komponente, die die Phantomregelung steuert, während die Schleife ihre Bandbreite unter 1 kHz hält.

Strategie 3: Verwenden Sie Klasse-I-Kondensatoren an jedem Filterknoten

Verlegen Sie N4700 Keramik der Klasse I mit einem Verlustfaktor von maximal 0.1 % und einem Koeffizienten von ±30 ppm/°C für die Filter- und Entkopplungspositionen. Die Ecke hält dann innerhalb von 0.5 % über den gesamten Temperaturbereich, sodass die im Labor gemessene Dämpfung der auf der Schweißnaht erreichten Dämpfung entspricht.

Strategie 4: Den Sensorknoten lokal entkoppeln

Schließen Sie einen 1-nF-Kondensator direkt über den Messknoten an Masse an, indem Sie die Low-Seite des Spannungsteilers verwenden. Dadurch wird die hochfrequente Plasmaaufnahme vor dem Verstärker abgefangen. Ein niedriger ESL-Wert sorgt dafür, dass der Shunt bis in den Megahertzbereich wirksam bleibt, wo die Plasmaentladungen stattfinden. Folienkondensator In dieser Position wird der Strom induktiv und oberhalb von 1 MHz kommt es zu keiner Nebenschlusswirkung.

Strategie 5: Aufteilung des Regelkreises für transiente und Rauschanforderungen

Für das Einschwingverhalten wird eine schnelle innere Stromregelung und für die Spannungsregelung eine langsame äußere Spannungsregelung verwendet. Der Rauschfilter befindet sich dann in der äußeren Regelung, sodass seine Bandbreitenkosten das Einschwingverhalten beim Schweißstart nicht beeinträchtigen.

Strategie 6: Schütze und leite das Sinnespaar um

Die Messleitungen werden als verdrilltes, geschirmtes Adernpaar mit einseitiger Erdung verlegt und von den Hochspannungs- und Schweißstromleitungen ferngehalten. In Kombination mit der Differenzmessung reduziert dies die Störaussendung von 0.5 V auf unter 10 mV.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie)	10 kV DC	Hi-Pot 1.5× für 60 s
Kapazität	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V<sub>eff</sub>
ESR bei 1 MHz	unter 50 mΩ	-
Schleifeninduktivität (E40-Sehne)	unter 8 nH	40 mm Anschlussabstand
Isolationswiderstand	über 10 GΩ bei 500 V Gleichstrom	25 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit
Temperaturbereich	−40 °C bis +125 °C	IEC 60068-2-Reihe
Impuls-dv/dt-Fähigkeit	über 50 kV/µs	bei Nennspannung

5. HVC N4700-Kondensatoren für rauschfreie Rückkopplungsschleifen

Drei Anforderungen bestimmen die Wahl an diesem Knotenpunkt: eine Ecke, die ihre eingestellte Position beibehält, ein Shunt, der im Megahertzbereich arbeitet, und ein Spannungsteiler, der die volle Ausgangsspannung überträgt. HVC fertigt für dieses Set N4700 (T3M)-Bauteile der Klasse I auf SrTiO3-Basis in einem 6,000 m² großen, firmeneigenen Werk in Dongguan für Spannungen von 1 kV bis 100 kV.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Filterstabilität. Ein Koeffizient von ±30 ppm/°C und ein Verlustfaktor von maximal 0.1 % gewährleisten, dass die Abweichung innerhalb von 0.5 % über den gesamten Arbeitsbereich liegt.
• Entkopplung in den Megahertzbereich. Gehäuse mit ESL unter 30 nH und frequenzflacher kapazitiver Drain-Plasma-Aufnahme, bevor das Signal den Verstärker erreicht.
• Sie erzeugen kein eigenes Entladungsrauschen. Die werkseitige Teilentladungsabschirmung unter 5 pC bei Nennspannung verhindert, dass die Filter- und Entkopplungsbauteile dem gereinigten Signal Störimpulse hinzufügen.
• Spannungsfestigkeit im Teilerpfad. Für Messteiler mit 3 kV bis 20 kV, Schraubklemmen doorknob Kondensatoren und die radial bedrahteten Scheiben übertragen das volle Ausgangspotenzial bei vernachlässigbarer paralleler Leckage, sodass das Teilerverhältnis erhalten bleibt.
• Kundenspezifische Werte für die exakte Regelkreisabstimmung. HVC erstellt kundenspezifische Kapazitäts- und Spannungskombinationen, sodass ein Eckpunkt auf das gemessene Plasmaspektrum einer Maschinenplattform eingestellt werden kann, und aufeinander abgestimmte Sätze werden auf ±1 % genau ausgewählt.
• Qualifizierte, sofort einsatzbereite Komponenten für Reparaturprogramme vor Ort. HVC-Teile entsprechen den elektrischen Parametern und Gehäuseabmessungen von Murata Schraubkondensatoren, die bei der Reparatur von Lithographie-Lichtquellen verwendet werden.

Lieferung und Support

Standardausführungen werden innerhalb von 4–8 Wochen, kundenspezifische Ausführungen innerhalb von 6–10 Wochen geliefert. Die Anwendungstechnik von HVC unterstützt Sie bei der Auswahl von Filtern und Sperrkondensatoren, der Auslegung der Entkopplung und der Impedanzmessung an der Grenzfrequenz.

Bitte senden Sie den Messwert, das Plasma-Flimmerband, den Masseversatz, die Grenzfrequenz und die Stückzahl. HVC liefert Ihnen innerhalb von fünf Werktagen die Teilenummern mit Impedanzdaten, einen Toleranzbericht für das angepasste Set sowie Muster zur Prototypenvalidierung.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Wie stark wird das Rückkopplungssignal durch das Schweißplasma beeinträchtigt?

Bei einem 10-kW-Schweißgerät werden 150 bis 250 mV an einer 1-V-Messleitung gemessen. Dieser Wert ergibt sich aus dem Lastpfad: 2 A Plasmastrom an 0.1 Ω Busimpedanz ergeben 200 mV, und das Lichtbogenfeld trägt zu einer Eingangsspannung von 0.5 V an einer ungeschirmten 10-cm-Schleife bei.

Frage 2: Warum oszilliert die Schleife, wenn das Plasma verrauscht ist?

Der Integrator akkumuliert das Rauschen als Ausgabefehler und korrigiert es anhand eines Phantoms, sodass die Ausgabe mit der Plasma-Flimmerfrequenz moduliert wird. Das sichtbare Ergebnis ist eine Abweichung der Schweißleistung von ±5 % und der Einbrandtiefe von 0.2 mm.

Frage 3: Wo sollte der Notch-Filter platziert werden?

Bei der gemessenen Plasmafrequenz, üblicherweise 2 kHz bis 8 kHz, im äußeren Spannungskreis. Eine Doppel-T-Kerbe entfernt dort 30 dB der dominanten Flickerlinie, während die Bandbreite des Kreises unterhalb von 1 kHz unberührt bleibt.

Frage 4: Warum wird das Rückkopplungssignal nicht stärker gefiltert?

Weil der Regelkreis dann nur langsam auf Laständerungen reagiert. Überfilterte Spannungsversorgungen stabilisieren sich beim Schweißbeginn doppelt so langsam, wodurch die ersten 10 mm der Schweißnaht schwach werden. Stattdessen sollte der Regelkreis aufgeteilt werden: ein schneller innerer Stromregelkreis und ein gefilterter äußerer Spannungsregelkreis.

Frage 5: Verschiebt Keramik der Klasse II den Kurvenwinkel tatsächlich so weit?

Ja. Ein Kapazitätsverlust von 20 % verschiebt die Grenzfrequenz eines Filters zweiter Ordnung von 9.9 kHz auf 12.4 kHz, da sich die Grenzfrequenz umgekehrt proportional zur Quadratwurzel des Kapazitätsprodukts verschiebt. Das Plasmaband liegt dann innerhalb des Durchlassbereichs.

Frage 6: Was beseitigt die Masseschleife?

Ein differenzielles Eingangssignal mit Gleichtaktunterdrückung von über 90 dB bei 10 kHz. Es dämpft 8 V Schweißrücklauf-Offset auf 0.25 mV, und Nachrüstungen, die eine differenzielle Erfassung hinzufügten, reduzierten das gesamte Rückkopplungsrauschen um 60 %.

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