Plasma-Rauschrückkopplung in Hochspannungsquellen beim Laserschweißen

Plasma-Rauschrückkopplung in Hochspannungsquellen beim Laserschweißen

Abstract

Beim Tiefschweißen wird das Keyhole-Plasma zu einer Last, deren Frequenz zwischen 1 kHz und 10 kHz um ±40 % schwankt. Dieser Artikel beschreibt das Leitwertmodell, die Busstörungsgleichung, die innerhalb von 20 µs eine Spannung von 200 V am Quellknoten erzeugt, die Impedanz der drei Kopplungspfade, das Kopplungsverhältnis des Überwachungskanals von 67 % sowie die Unterdrückungsmaßnahmen, die Fehlauslösungen um 60 % reduzieren.

1. Einleitung

Das Tiefschweißen mit Laser verbindet 10 bis 30 mm dicke Stahlplatten in einem Arbeitsgang und ist heute Standard im Schiffbau, im Druckbehälterbau und im Maschinenbau. Ein modernes Faserlaserschweißgerät mit einer Leistung von 8 bis 16 kW nutzt eine Hochspannungseinheit mit 3 bis 20 kV zur Plasmaerzeugung, Ionisierung des Hilfsgases und Sensorvorspannung.

Das Schweißplasma stellt gleichzeitig eine nichtlineare Last, eine breitbandige Rauschquelle und ein Diagnosesignal dar. Eine Untersuchung an 120 industriellen Laserschweißanlagen ergab, dass 27 % der Störungen in Hochspannungseinheiten auf plasmabedingte Interferenzen zurückzuführen waren: Fehlauslösungen durch Überstrom, falsche Lichtbogenüberwachung und gelegentliche Beschädigungen der Rückkopplungsstufe der Quelle.

Jeder Fehlauslöser unterbricht eine Schweißnaht, und die Nachbearbeitung einer 10 m langen Schiffsplattennaht kostet 300 bis 1,500 US-Dollar. Dieselbe Störung beeinträchtigt den Kanal zur Überwachung des Schweißdurchgangs, wodurch frühe Anzeichen unvollständiger Verschmelzung verborgen bleiben.

Dieser Artikel behandelt das Plasmaleitfähigkeitsmodell, die drei Kopplungspfade in die Quelle, das Kopplungsverhältnis des Monitorkanals und sechs Unterdrückungsschritte, die auf Differenzmessung, Kerbfilterung und isolierten Hochspannungskondensatoren basieren.

2. Kernmechanismus

2.1 Das Plasma als geschaltete Leitfähigkeit

Ein ausgebildetes Schlüsselloch verhält sich wie ein Leitwert, der vom Ionisierungsgrad und der Kanalgeometrie abhängt:

G_plasma = n_e × e × μ_e × A_ch / L_ch

wobei G_plasma die Kanalleitfähigkeit, n_e die Elektronendichte (1 × 10¹⁶ bis 1 × 10¹⁸ cm⁻³ im Schlüsselloch), e die Elektronenladung, μ_e die Elektronenbeweglichkeit und A_ch / L_ch das Kanal-Seitenverhältnis ist.

Das Schlüsselloch öffnet sich, fluktuiert und schließt sich zwischen 1 kHz und 10 kHz, wobei sich sowohl n_e als auch A_ch mitbewegen. Die Leitfähigkeit schwankt dann um ±40 %, was bedeutet, dass die Plasmaimpedanz von unter 1 Ω während eines ausgebildeten Schlüssellochs auf Tausende von Ohm beim Ablösen der Plasmafahne ansteigt, mit Übergangszeiten unter 50 µs.

2.2 Lastpfadkopplung in den Bus

Das Plasma ist in Reihe mit dem Hochspannungsausgang geschaltet, sodass eine Leitwertänderung die abgegebene Spannung direkt moduliert. Die Störung am Quellknoten folgt der Impedanzänderung:

ΔV_bus = I_out × ΔZ_plasma

Dabei ist ΔV_bus die Busstörung, I_out der Ausgangsstrom und ΔZ_plasma die durch die Leitwertänderung hervorgerufene Impedanzänderung. Bei einem Ausgangsstrom von 2 A addiert eine Änderung von 100 Ω innerhalb von 20 µs 200 V zum Bus hinzu, was einer Anstiegsgeschwindigkeit von 10 V/µs am Rückkopplungsknoten entspricht.

2.3 Abgestrahlte und leitende Pfade

Lichtbogenflimmern strahlt Breitbandrauschen von 10 kHz bis 300 MHz ab. Ein Feld von 1 V/m koppelt mehrere Volt in eine ungeschirmte Rückkopplungsleitung ein, da die Messleitungen eine hohe Impedanz aufweisen und die Kopplungsverluste gering sind.

Der Schweißstrom fließt über die Werkstückaufnahme zurück und erzeugt eine Erdungspotentialdifferenz zwischen Brenner, Hochspannungseinheit und Steuerung. Die gemessene Differenz erreicht beim Schweißen mit hohem Strom 8 V und tritt als Gleichtaktspannung an jedem gemeinsamen Signal auf.

2.4 Der Penetrationsüberwachungskanal

Das gleiche Plasmapotential, das die Quelle stört, trägt die charakteristische Schlüssellochstruktur. Ein Koppelkondensator überträgt einen Teil dieser Auslenkung auf den Monitoreingang:

V_mon = C_c / (C_c + C_par) × V_plasma_swing

Dabei ist V_mon die Spannung am Monitoreingang, C_c die Kopplungskapazität, C_par die parasitäre Kapazität dieses Eingangs und V_plasma_swing die Plasmapotentialänderung. Mit C_c = 10 pF und C_par = 5 pF erreichen 67 % der Änderung den Monitor.

2.5 Sauberhalten der Messanlage

Die erste Verteidigungslinie ist ein Differenzial-Frontend. Die resultierende Restleistung ist wie folgt:

V_res = V_cm / 10(CMRR / 20)

Dabei ist V_res das Restgleichtaktsignal am Komparator, V_cm die Gleichtaktspannung am Eingang und CMRR das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis in Dezibel. Bei einer Gleichtaktspannung von 8 V und einer Unterdrückung von 90 dB beträgt das Restsignal 253 µV.

Das zweite ist eine Kerbe im periodischen Teil der Modulation:

f_notch = 1 / (2π × √(L_n × C_n))

Dabei ist f_notch die Kerbfrequenz, L_n die Kerbinduktivität und C_n die Kerbkapazität. Eine 1 mH-Spule mit einem 1 µF-Kondensator erzeugt eine Kerbe bei 5.03 kHz, also mittig im gemessenen Keyhole-Band von 2 kHz bis 8 kHz.

Abb. 1 — Der Zusammenbruch des Schlüssellochs bewirkt eine Änderung der Plasmalast um 100 Ω bei 2 A, sodass der Lastpfad 200 V zum Bus hinzufügt; abgestrahlte und leitende Pfade erreichen denselben Rückkopplungsknoten.

3. Schwachstellen im Engineering

Problem 1: Schlüssellochkollaps setzt die Schweißquelle mitten im Schweißvorgang außer Gefecht

Beim Zusammenbrechen des Schweißkanals sinkt die Plasmaleitfähigkeit, und die induktive Energie der Quelle entlädt sich in Streukapazität. Der resultierende Spannungsstoß erreicht das Doppelte des Sollwerts, woraufhin der Schutzkomparator die Quelle abschaltet. Dies geschah an einer Schiffsfertigungslinie, die pro Schicht eine unterbrochene Schweißung verursachte.

Problem 2: Abgestrahltes Rauschen beeinträchtigt den Durchdringungsmonitor.

Ohne Bandsperrfilterung integriert der Monitoreingang Lichtbogenflimmerimpulse in seine Messung. Testdaten zeigten Messwertsprünge von ±15 % während stabiler Schweißungen, weshalb die Bediener den Alarm deaktivierten. Die Frühwarnfunktion stand genau dann nicht zur Verfügung, als sie benötigt wurde.

Problempunkt 3: Die Masseschleifenspannung sättigt den analogen Eingangsbereich.

Bei an einem entfernten Punkt geerdetem Werkstück erreichte die Erdungspotentialdifferenz zwischen der Hochspannungseinheit und dem Brenner während Hochstromschweißungen 8 V. An einer auf 0 V bezogenen Messleitung trieb diese Gleichtaktspannung die Eingangsstufe in die Sättigung und erzeugte nach jedem Schweißbeginn ein 50 ms langes Blindfenster.

Problempunkt 4: Lastmodulation destabilisiert den Regelkreis

Die Leitwertmodulation von ±40 % äußert sich als zeitlich veränderliche Last im Spannungsregelkreis. Bei unzureichender Bandbreite des Regelkreises oszilliert die Quelle mit der Plasmafluktuationsfrequenz, was sich als sichtbare Modulation des Schweißnahtdurchbruchs bemerkbar macht.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Differenzielle Sensorik mit einem Frontend mit hohem Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR)

Alle Plasma- und Schweißsignale sind in Differenzsignale mit einer Gleichtaktunterdrückung von über 90 dB bei 10 kHz umzuwandeln. Nachrüstungsversuche reduzierten die Fehlauslösungen um 60 %, da die Erdschleifenspannung unterdrückt wurde, bevor sie den Komparator erreichte. Der Hochspannungs-Rückkopplungsteiler, der den Komparator speist, muss ebenfalls angepasst werden. Bemessung von WiderständenDa eine Abweichung von 1 % den Auslösepunkt um 1 % verschiebt.

Strategie 2: Die gemessene Schlüssellochfrequenz ausklinken

Messen Sie bei der Inbetriebnahme das Schwingungsspektrum des Keyhole-Filters und platzieren Sie eine Kerbe bei der dominanten Frequenz, typischerweise zwischen 2 kHz und 8 kHz. Eine Kerbe zweiter Ordnung mit 30 dB Tiefe eliminiert die periodische Lastmodulation und hält den Gleichstromdurchdringungsgrad konstant. Liegt das Plasmaband unterhalb von 2 kHz, … Folienkondensator und ein laminierter Kern erzeugt die gleiche Kerbe bei einer größeren physikalischen Größe.

Strategie 3: Isolieren Sie die Monitorfront.

Isolieren Sie den Kanal zur Penetrationsüberwachung mit einem 10-pF-Hochspannungs-Koppelkondensator, der für das volle Plasmapotenzial ausgelegt ist. Verwenden Sie einen N4700 Teil der Klasse I mit Teilentladungen unter 5 pC und stabiler Kapazität, sodass das Kopplungsverhältnis von 67 % über Temperatur und Zeit erhalten bleibt.

Strategie 4: Schnelle Strombegrenzung mit Vorsteuerung

Fügt man einen Vorsteuerungsterm hinzu, der von der gemessenen Plasmaleitfähigkeit gesteuert wird, begrenzt die Quelle den Strom, bevor sich der induktive Spannungsspitzenwert aufbaut, sobald dG/dt den Beginn eines Zusammenbruchs signalisiert. Digital implementiert mit einer Schleifenrate von 20 kHz, reduzierte dies die Spannungsüberschwingung bei Prototyp-Schweißungen von 2× auf 1.2×.

Strategie 5: Einpunkt-Erdung und Schirmungsmanagement

Verlegen Sie alle Plasmamessleitungen als verdrillte, geschirmte Adernpaare und erden Sie die Schirmung ausschließlich an der Hochspannungseinheit. In Kombination mit der Differenzmessung werden dadurch die 8-V-Masseschleifenstörung und das darauf folgende 50-ms-Blindfenster beseitigt.

Strategie 6: Entkopplung des Hochspannungszwischenkreises und der Gate-Ansteuerungen

Platzieren Sie N4700-Keramikkondensatoren mit niedriger Induktivität parallel zum Hochspannungsbus und zu jeder Gate-Treiberversorgung. Ein Verlustfaktor von 0.1 % oder weniger und ein Temperaturkoeffizient von ±30 ppm/°C halten die lokale Bypass-Impedanz niedrig, während die Plasmalast im Kilohertzbereich moduliert wird. Der Gleichrichter, der den Bus lädt, verwendet einen schnelle Erholungsdiode, deren Rückforderungsgebühr im selben Knoten landet.

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-Kondensatoren für plasmagekoppelte Schweißquellen

An diesem Knotenpunkt muss dieselbe Komponentenfamilie eine 200-V-Plasmaspannung in einen Monitor einkoppeln und eine 20-kV-Busspannung stabil halten, während die Last moduliert wird. HVC baut auf dem dielektrischen Bauteil N4700 (T3M) der Klasse I auf Strontiumtitanatbasis auf und deckt einen Spannungsbereich von 1 kV bis 100 kV ab.

Sechs Parameter, die an diesem Knotenpunkt wichtig sind

• Stabilität der Kopplung. Ein 10-pF-Bauteil im Überwachungsnetzwerk hält die Kapazität innerhalb von ±0.5 % von −55 °C bis +125 °C, sodass das Kopplungsverhältnis mit der Schweißbodentemperatur nicht driftet.
• Teilentladungen unter 5 pC bei Nennspannung, werkseitig geprüft, sodass der Kondensator keine eigenen Impulse in den Monitorkanal einspeist und das Signal-Rausch-Verhältnis über 40 dB bleibt.
• Robustheit der Bus-Entkopplung. Spannungsnennwerte von 1 kV bis 100 kV absorbieren die beim Keyhole-Zusammenbruch freigesetzte induktive Energie ohne interne Lichtbogenbildung.
• Niedrige ESL-Konstruktion. Die Radialanschluss- und Schraubanschlussvarianten halten die äquivalente Serieninduktivität unter 30 nH, was einen effektiven Bypass über den Plasma-Rauschbereich von 10 kHz bis 300 MHz ermöglicht.
• Versiegelte Gehäuse. Die Epoxidharz-Verkapselung widersteht der metalldampf- und spritzerbelasteten Atmosphäre in der Umgebung einer Schweiß-Hochspannungsanlage, wo Kriechströme offene Baugruppen innerhalb weniger Monate beschädigen.
• Austauschrekord. Der 40-kV-/441-Schraubklemmenkondensator wurde im Rahmen des Lichtquellenreparaturprogramms von ASML-Lithographiemaschinen als direkter Ersatz für japanische Murata-Schraubenkondensatoren qualifiziert.

Das Quellende des Kopplungsnetzwerks sieht das volle Plasmapotenzial, so dass HVCT8G Umriss mit einer 40 mm langen Anschlusssehne und einem 10 mm langen Kriechweg, der diesen Knotenpunkt trägt.

Lieferung und Support

Standardbauteile werden innerhalb von 4 bis 8 Wochen geliefert, kundenspezifische Netzwerke innerhalb von 6 bis 10 Wochen. HVC unterstützt die Berechnung der Plasmakopplung, die Auswahl der Kerbkomponenten, die Überprüfung des Differenzial-Frontends sowie kundenspezifische Spannungs- und Kapazitätskombinationen.

Senden Sie das Plasmapotenzial, das benötigte Kopplungsverhältnis, das Frequenzband des Keyholes und die Busspannung. HVC liefert Ihnen einen Entwurf für Kopplung und Entkopplung inklusive Teilentladungsbericht, Stabilitätsberechnung und einem Mustersatz. Die Bauteile von HVC entsprechen den elektrischen Parametern und Gehäuseabmessungen von Vishay und andere erstklassige Hochspannungsbereiche.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Wie groß ist die Störung des Busses durch einen Schlüssellocheinsturz?

ΔV_bus = I_out × ΔZ_plasma. Bei einem Ausgangsstrom von 2 A bewirkt eine Impedanzänderung von 100 Ω eine Erhöhung der Spannung um 200 V innerhalb von 20 µs, was einer Änderungsrate von 10 V/µs am Rückkopplungsknoten entspricht. Verwenden Sie die Impedanzform, da die Leitwertform eine Anstiegsgeschwindigkeit und keine Sprungrate liefert.

Frage 2: Wie verändert sich die Plasmaimpedanz im Verlauf eines Schweißzyklus?

Unter 1 Ω während eines ausgebildeten Schlüssellochs und Tausende von Ohm beim Ablösen der Rauchfahne, mit Übergängen unter 50 µs. Die Leitfähigkeit schwankt um ±40 % bei 1 kHz bis 10 kHz, sodass die Quelle eine Last sieht, die sich schneller bewegt als ihre Spannungsschleife.

Frage 3: Warum erreicht ein 10 pF Koppelkondensator einen Wirkungsgrad von 67 %?

V_mon = C_c / (C_c + C_par) × V_plasma_swing. Bei einer Kopplungskapazität von 10 pF und parasitären Eingangskapazitäten von 5 pF erreichen zwei Drittel der Amplitude den Monitor. Wird die Kabelkapazität zu C_par addiert, sinkt dieses Verhältnis.

Frage 4: Wie hoch muss die Gleichtaktunterdrückung sein?

90 dB bei 10 kHz. Die gemessene Erdschleifenspannung beträgt 8 V, und V_res = V_cm / 10^(CMRR/20) ergibt 253 µV am Komparator. Dieser Wert liegt unterhalb der Lichtbogenerkennungsschwelle, weshalb die Fehlauslösungen aufhören.

Frage 5: Welche Frequenz sollte die Kerbe anvisieren?

Die gemessene Schwingungsspitze des Keyhole-Verfahrens liegt üblicherweise zwischen 2 kHz und 8 kHz. Eine 1 mH-Spule mit einem 1 µF-Kondensator platziert die Kerbe bei 5.03 kHz und erreicht in einem Abschnitt zweiter Ordnung eine Tiefe von 30 dB.

Frage 6: Wie kann ich den Monitor sauber halten, ohne das Signal zu verlieren?

Das Plasmapotenzial wird über einen 10-pF-Kondensator mit einer Abschirmung unterhalb von 5 pC eingekoppelt, wobei die Abschirmung nur an der Hochspannungseinheit geerdet ist. Der Monitor erfasst dann die Plasmaschwingung, wobei der Erdschleifenstrom außerhalb des Rückstromkreises verbleibt.

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