CH667228A5 - Verfahren und einrichtung zum ueberwachen oder steuern des schweissvorgangs beim verschweissen von werkstuecken im lichtbogenschweissverfahren. - Google Patents
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Description
BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Überwachen oder Steuern des Schweissvorgangs beim Verschweissen von Werkstücken, insbesondere solchen, die in zumindest einem Stoffbestandteil unterschiedlich sind, beim automatischen Lichtbogenschweissen.
Zu den gefahrlichsten Fehlern einer Schweissnaht gehört bekanntlich die mangelhafte Durchschweissung der zu verbindenden Werkstoffe, da hierdurch die Festigkeit der Schweissverbindung stark herabgesetzt wird. Die Ursache für die mangelhafte Durchschweissung ist vielfach in der ungenauen Schweissbrenner- oder Elektrodenführung in ihrer Lage zum Schweissstoss zu finden, die dazu führt, dass an der Schweissstelle der eine Werkstoff nur ungenügend, d.h. mit unzureichender Einbrandtiefe zur Aufschmelzung gebracht wird.
Aus den vorgenannten Gründen ist es in vielen Fällen erforderlich, die Schweissverbindung nach Beendigung des Schweissvorgangs einer Prüfung zu unterziehen, was u.a. mit einer Durchstrahlungsprüfung mittels Röntgenstrahlen oder Ultraschall geschieht.
Es versteht sich, dass die Qualitätsprüfung einer Schweissverbindung nach Fertigstellung der Schweissnaht im Grunde nur eine Behelfsmassnahme darstellt, da sie lediglich dazu führen kann, Werkstücke mit mangelhaften Schweissverbindungen als Ausschuss zu erkennen, nicht aber dazu, den eigentlichen Grund für die mangelhafte Schweissverbindung zu beseitigen.
In der Vergangenheit hat man erhebliche Bemühungen darauf gerichtet, beim automatischen Schweissvorgang mit und ohne Schweissrobotern die Qualität der Schweissnähte durch genauere Nahtführung zu verbessern und damit die Produktion von Ausschuss zu unterbinden. Diesen Bemühungen war aber bisher kein durchschlagender Erfolg beschieden. Dies gilt insbesondere für den Dünnblechbereich, wo die Verwendung von Sensoren zur Verbesserung der Nahtführung während des Schweissbetriebs bisher mit befriedigendem Erfolg nicht möglich war.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein auch für den Dünnblechbereich geeignetes Verfahren zu schaffen, mit dem es zuverlässig möglich ist, während des Schweissbetriebs die Schweissnahtführung erheblich zu verbessern, d.h. eine einwandfreie Schweissung der zu verbindenden Werkstoffe zu erreichen. Das erfindungsgemässe Verfahren ist insbesondere für das automatische elektrische Lichtbogenschweissen mit oder ohne Robotereinsatz bestimmt. Ferner bezweckt die Erfindung eine geeignete Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die vorgenannte Aufgabe wird mit dem erfindungsge-mässen Verfahren dadurch gelöst, dass während des Schweissvorgangs die emittierte Strahlung der Schweisszone mittels eines Emissionsspektrometers spektralanalytisch bestimmt und zur Lieferung eines Überwachungssignals und/ oder eines den Schweissvorgang korrigierenden Signals ausgewertet wird.
Nach der Erfindung wird also als Sensor zur Abtastung der Schweissstelle ein an sich bekanntes Spektrometer verwendet, welches zur spektralanalytischen Bestimmung der Zusammensetzung von Metallegierungen u.dgl. benutzt wird. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren dient das Spektrometer in seiner Funktion als ein den Verfahrensablauf überwachender Sensor zur laufenden Überwachung des von der Schweissstelle bzw. dem Lichtbogen ausgehenden Lichtes. Wenn zu verschweissende Werkstücke zumindest in einem Stoffbestandteil voneinander abweichen, lässt sich durch spektroskopische Auswertung des Lichtbogens zuverlässig feststellen, ob die Grundwerkstoffe beider zu verbindenden Werkstücke aufgeschmolzen werden. Damit ist die Möglichkeit einer ständigen Aussage darüber gegeben, ob bei der Nahtführung eine einwandfreie Materialverbindung erreicht wird. Die Abweichung der zu verschweissenden
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Werkstücke in mindestens einem Stoffbestandteil ist bei Schweissarbeiten im Dünnblechbereich u.dgl. in vielen Fällen gegeben oder kann in der Fertigung oder Konstruktion so gewählt werden. Am einfachsten lässt sich das erfindungs-gemässe Verfahren durchführen, wenn die beiden Werkstoffe wechselseitig jeweils mindestens einen Legierungsbestandteil enthalten, der in dem anderen Werkstoff nicht vorhanden ist. Andererseits kann die Unterschiedlichkeit der Stoffbestandteile aber auch in ihren jeweiligen Mengenanteilen innerhalb der Legierung bestehen. Da es sich auf spektrome-trischem Wege nicht nur eine qualitative Aussage, sondern über die Intensität der Spektrallinien und der photoelektrisch erhaltenen Messwerte auch eine quantitative Aussage über Mengenanteile bestimmter Komponenten gewinnen lassen, kann das erfindungsgemässe Verfahren auch dort zur Anwendung kommen, wo die Werkstoffe der zu verschweis-senden Werkstücke sich entweder in ihrer stofflichen Zusammensetzung und/oder in ihren mengenmässigen Zusammensetzungen unterscheiden.
Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich selbst dann anwenden, wenn die zu verschweissenden Werkstücke gleich sind. In diesem Fall werden die Nahtkanten der beiden zu verbindenden Werkstücke, deren Aufschmelzen kontrolliert werden soll, jeweils gesondert spektrometrisch überwacht.
Bei der automatischen Auswertung mittels eines Emissionsspektrometers lassen sich auch obere und untere Toleranzwerte berücksichtigen, so dass auch die Überwachung des Schweissprozesses bezüglich der oberen und/oder unteren Toleranzwerte bestimmter Legierungsbestandteile möglich ist. Das erfindungsgemässe Verfahren kann nur zur Überwachung des Schweissvorgangs dienen oder aber auch in bevorzugter Ausführung zugleich zur Verfahrenssteuerung oder -regelung verwendet werden. Da, wie erwähnt, über die Intensität des ausgesandten Lichtes auch eine Aussage über die Menge des aufgeschmolzenen Materials erhalten wird, lässt sich über ab- und zunehmende Intensitäten eine Aussage über die Lage der Schweissnaht auf dem Grundmaterial der beiden Werkstücke machen. Die Auswertung der Messergebnisse des Emissionsspektrometers kann mit Hilfe einer elektronischen Ausrüstung durchgeführt werden, z.B. derart, dass anhand der zu- und abnehmenden Intensitäten der Spektrallinien eine automatische Korrektur der Lage der Schweissnaht durchgeführt wird.
Die Übertragung der Strahlung zu dem Emissionsspek-trometer, welches stationär aufgestellt werden kann, erfolgt zweckmässig mit Hilfe eines Lichtleiters, insbesondere einer Faseroptik. Besonders geeignet sind Quarzfasern. Dadurch liegen die durch etwaige Schweissspritzer gefährdeten Er-fasssungs- und Steuergeräte ausserhalb des gefährdeten Bereichs.
Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäs-sen Verfahrens kennzeichnet sich vor allem dadurch, dass am Schweisskopf oder Schweissbrenner eine Halterung für eine auf die Schweisszone gerichtete Faseroptik angeordnet ist. Vorzugsweise ist aber die Faseroptik in ihrer Winkellage zur Schweisszone verstellbar angeordnet, so dass sie sich unmittelbar auf die Schweissstelle bzw. auf den Lichtbogen ausrichten lässt. Vorzugsweise besteht die Halterung aus einem am Schweisskopf oder Brenner beweglichen Schwenkglied, z.B. einem Schwenkarm od.dgl., welches die Faseroptik trägt und sich auf den gewünschten Abstand zur Schweissstelle bzw. zum Lichtbogen einstellen lässt. Das Emissionspektrometer wird vorteilhafterweise an einen Mikroprozessor mit Auswerteelektronik angeschlossen, der zugleich mit einer Steuerelektronik für die Nachregelung versehen ist.
Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemässe Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäs-sen Verfahrens;
Fig. 2 in Seitenansicht eine erfindungsgemässe Einrichtung mit am Schweiss- bzw. Brennerkopf angeordneter Faseroptik;
Fig. 3 in der Darstellung der Fig. 2 eine geänderte Ausführungsform der Erfindung.
In der Zeichnung sind mit 1 und 2 zwei z. B. aus Dünnblechen bestehende metallische Werkstücke bezeichnet, die mittels einer Schweissverbindung 3 verbunden werden. Mit 4 ist in Fig. 1 ein Schweissbrenner oder Schweisskopf einer automatischen Schweisseinrichtung oder eines Schweissrobo-ters bezeichnet. Die Verbindung der Werkstücke 1 und 2 erfolgt vorzugsweise im automatischen Lichtbogenschweiss-verfahren.
Um beim Schweissvorgang eine einwandfreie Verbindung bzw. einen ausreichend tiefen Einbrand an den Stoss-kanten der Werkstücke 1 und 2 zu erzielen, wird die Schweissstelle bzw. der Lichtbogen während des Schweissprozesses abgetastet. Hierbei findet als Sensor ein Emissions-spektrometer 5 mit einer Faseroptik 6, 7 Verwendung, deren Teil 6 von einem Kopfstück gebildet ist, in dem ein Lichtleiter in Gestalt einer Faser 7 oder eines Faserbündels, vorzugsweise aus Quarz, mit seinem Ende gehalten ist. Der Lichtleiter ist am anderen Ende am Eintrittsspalt 8 des Emissionsspektrometers 5 befestigt, welches stationär angeordnet werden kann.
Am Schweisskopf bzw. Schweissbrenner 4 ist ein einer Halterung 9 das Kopfstück 6 der Faseroptik so befestigt,
dass es genau auf die Schweissstelle bzw. den Lichtbogen ausgerichtet ist und das emittierte Licht über den Faserleiter 7 dem Emissionsspektrometer zugeleitet wird.
Das Emissionsspektrometer 5 ist von bekannter Ausführung; es besteht aus einem Spektralapparat, in welchem die Strahlung des Lichtbogens bzw. der Schweissstelle in die einzelnen Spektrallinien zerlegt wird, wobei jeweils die Intensität einer ausgewählten Spektrallinie photoelektrisch gemessen wird. Dabei kann auch das Verhältnis der Intensitäten bestimmter Spektrallinien, welche bestimmte Legierungsbestandteile der Werkstücke 1 und 2 repräsentieren, photoelektrisch gemessen werden, wobei das gemessene Verhältnis ein Mass für die Menge dieser Bestandteile im Schweissbad ist. Die Austrittsspalten 10 und 11 des Emissionsspektrometers 5 sind auf die ausgewählten Spektrallinien eingestellt. Hinter diesen Spalten sind photoelektrische Empfanger 12 angeordnet, deren elektrische Signale einem Mikroprozessor 13 zugeführt werden, der mit einer Auswerteelektronik und mit einer Steuerelektronik für die automatische Nachregelung des Schweisskopfes oder Schweissbrenners 4 versehen ist. Bei der Nachregelung wird der Schweisskopf bzw. Schweissbrenner 4 in die Sollage eingestellt, in der die gewünschte einwandfreie Durchschweissung des Werkstoffs der beiden Werkstücke 1 und 2 gegeben ist. In Fig. 1 sind durch die vier Pfeile die Richtungen der Einstellbewegungen angegeben.
Fig. 2 zeigt einen gebogenen Maschinenbrenner mit der Halterung 9 für das Kopfstück 6 der Faseroptik. Das Kopfstück 6 ist am freien Ende eines Schwenkarmes 14, mittels einer Schraubvorrichtung 15 in Richtung der Längsachse des Schwenkarmes verstellbar gelagert. Der Schwenkarm 14 ist mit seinem anderen Ende bei 16 um eine Querachse schwenkbeweglich gelagert, wobei er in den verschiedenen Schwenkpositionen mit seiner Feststellschraube od. dgl. festgelegt werden kann. Das Gelenk 16 befindet sich an einer Schelle 17 od.dgl. des Brenners oder Schweisskopfes 4'. Mit
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Hilfe der vorgenannten Einstellmöglichkeiten lässt sich das Kopfstück 6 der Faseroptik in den vorgesehenen Abstand zu der Schweissstelle bringen und auf diese bzw. auf den Lichtbogen ausrichten.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist die Faseroptik 6, 7 mit ihrem Halter an einem geraden Maschinenbrenner 4" verstellbar gelagert. Letzterer weist an einer Manschette 17 od.dgl. ein kurzes Schwenkglied 14' auf, an welchem das Kopfstück 6 der Faseroptik mittels der Gewindeeinstellvorrichtung 15 verstellbar gelagert angeordnet ist. Mit 18 ist ein Gasrohr für die Schutzgaszuführung bezeichnet.
Während des Schweissbetriebs wird die an der Schweisszone bzw. durch den Lichtbogen emittierte und über die Faseroptik 6, 7 dem Emissionsspektrometer 5 zugeleitete Strahlung von letzterem in der genannten Weise bestimmt und zur Lieferung eines Überwachungs- und/oder eines den Schweissvorgang korrigierenden Steuer- oder Regelsignals ausgewertet. Die Auswertung der Messergebnisse erfolgt durch die Auswerteelektronik des Mikroprozessors 13. Falls die optimalen Schweissbedingungen nicht gegeben sind,
kann ein optisches und/oder akustisches Warnsignal ausgelöst werden. Vorzugsweise ist die Anordnung aber so getroffen, dass eine automatische Nachregelung mit Hilfe der Steuerelektronik des Mikroprozessors 13 durchgeführt wird, bei welcher die Lage des Schweissbrenners bzw. Schweisskopfes gegenüber der Lage der Schweissstelle im Sinne der Erzielung der gewünschten Durchschweissung bzw. des gewünschten Einbrandes an den Stossstellen der Werkstücke 1 und 2 nachgeregelt wird. Damit ist eine Überwachung und genaue Steuerung des Aufschmelzens des Werkstoffs der zu verbindenden Teile 1 und 2 möglich und demgemäss eine Kontrolle der Lage der Schweissnaht 3 zu der vorgegebenen Fügestelle der beiden Teile 1 und 2 im Sinne der Erzielung des ordnungsgemässen Verbindungs- und Durchschweissens erreichbar.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Einrichtung sind mit besonderem Vorteil zur Überwachung und/oder zur Steuerung von Schweissmaschinen mit oder auch ohne Schweissroboter verwendbar. Eine im Programm vorgegebene Schweissnahtlage kann mit Hilfe des er-findungsgemässen Verfahrens im Schweissbetrieb ständig kontrolliert und ggf. auch korrigiert werden, um optimale Schweissergebnisse zu erzielen.
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3 Blatt Zeichnungen
Claims (11)
1. Verfahren zum Überwachen oder Steuern des Schweissvorgangs beim Verschweissen von Werkstücken, insbesondere solchen, die in zumindest einem Stoffbestandteil unterschiedlich sind, beim automatischen Lichtbo-genschweissen, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schweissvorganges die emittierte Strahlung der Schweisszo-ne mittels eines Emissionsspektrometers spektral-analytisch bestimmt und zur Lieferung eines Überwachungssignals und/oder eines den Schweissvorgang korrigierenden Signals ausgewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung der Strahlung zu dem Emissionsspek-trometer mittels eines Lichtleiters, insbesondere einer Faser oder eines Faserbündels, wie vorzugsweise einer Quarzfaser, erfolgt.
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PATENTANSPRÜCHE
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von den jeweiligen Messergebnissen des Emissionsspektrometers die Lage der Schweissstelle zur Lage des Brenners bzw. des Schweisskop-fes im Sinne einer Korrektur der Durchschweissung bzw. der Schweissung nachgeregelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Werkstücken, von denen das eine einen Stoffbestandteil (z.B. als Legierungsbestandteil) enthält, der im Werkstoff des anderen Werkstücks nicht enthalten ist, während des Schweissvorgangs das Vorhandensein dieses Stoffbestandteils spektrometrisch ermittelt und zur Überwachung des Schweissvorgangs und/oder als Regel-grösse zur Korrektur des Schweissvorgangs herangezogen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schweissvorgangs die Intensität einer oder mehrerer Spektrallinien als Mass für bestimmte Stoffkonzentrationen gemessen und zur Überwachung und/oder Regelung des Schweissvorgangs ausgenutzt werden.
6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Schweissbrenner (4,4', 4") eine Halterung (9) für eine auf die Schweisszone bzw. den Lichtbogen gerichtete Faseroptik (6, 7) angeordnet ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfstück (6) der Faseroptik in seiner Winkellage zur Schweisszone verstellbar angeordnet ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (9) ein am Schweissbrenner bewegliches Schwenkglied (14,14') aufweist, welches das Kopfstück (6) der Faseroptik trägt.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Emissionsspektrometer (5) an einen Mikroprozessor (13) mit Auswerteelektronik angeschlossen ist.
10. Einrichtung nach Aspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (13) mit Auswerteelektronik zugleich mit einer Steuerelektronik für die Nachregelung versehen ist.
11. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Durchführung einer spektrometrischen Verwechslungsprüfung mit Signalgabe bei Werkstückverwechslung.
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