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Die Erfindung betrifft eine analoge Schweissstromregeleinrichtung zur Herstellung von Metallrohren aus zu einem Rohrkörper verformtem Metallband, insbesondere Widerstands-Schweissstromregeleinrichtung, bei der eine elektrische Führungsgrösse mindestens über einen von der Abzugsgeschwindigkeit des Metallrohres abhängigen
Messwert-Umsetzer und diesem zugeordnete Spannungsteiler als analoge Rechenglieder eingestellt wird.
Es sind bereits viele Möglichkeiten zur Regulierung des Schweissstromes bekannt. Beispielsweise ist es bei jedem elektrischen Schweissverfahren möglich, die nötige Strommenge sowie die Beschickungsgeschwindigkeit des
Metallbandes, das zu schweissen ist, zu regulieren. Ebenso können der Stauchdruck, der Elektrodendruck und die
Einstellung der Widerstände bei dem Hochfrequenzschweissverfahren in jedem Moment geregelt werden.
Es sind auch Einrichtungen zur selbsttätigen Regelung des Schweissstromes bekanntgeworden.
So beschreibt die österr. Patentschrift Nr. 230500 eine Vorrichtung zur selbsttätigen Regelung des
Schweissstromes beim Anfahren, also nur bei kleinen Abzugsgeschwindigkeiten des zu verschweissenden
Schlitzrohres, bei welcher der Schweisslichtbogen beim Anfahren zeitlich abhängig von einer
Mindestabzugsgeschwindigkeit mit fest eingestelltem Schweissstromgrundwert gezündet wird, und der
Schweissstrom beim Hochfahren selbsttätig und linear in Abhängigkeit von der Abzugsgeschwindigkeit mit konstanter, einem festliegenden Proportionalitätsfaktor für das zu verschweissende Material entsprechender
Steigung der Schweissstromcharakteristik hochgeregelt wird.
Eine gesteuerte Schweissrichtung nämlich ein automatisches Lichtbogenschweissgerät mit Photozellen- steuerung, ist in der deutschen Auslegeschrift 1113769 geoffenbart. Dabei sprechen zwei Photozellen auf die
Anwesenheit oder das Fehlen eines Werkstückes bzw. auf am Werkstück angebrachte Markierungen oder auf die wechselnde Oberflächenbeschaffenheit des Werkstückes, beispielsweise auf das Vorhandensein oder Fehlen eines auf das Werkstück aufgebrachten Schweisspulvers oder auf Unterschiede im Reflexionsvermögen zwischen bearbeiteten und unbearbeiteten Oberflächenbereichen des Werkstückes an, und steuern Motoren zur Bewegung des Schweisskopfes, derart, dass der Schweisskopf zu Beginn und Ende jeder Einzelschweissnaht angehalten und während eines bestimmten einstellbaren Zeitraumes festgehalten wird.
Jedoch ist bis jetzt noch keine Schweissstromregeleinrichtung bekanntgeworden, bei der alle Faktoren, die bei der Herstellung längsgeschweisster Rohre wichtig sind, berücksichtigt werden. Ein Faktor von grosser
Bedeutung für alle elektrischen Schweissverfahren für Rohre ist die exakte Bestimmung der
Beschickungsgeschwindigkeit des Metallbandes, da fehlerhaftes Schweissen normal von einer unrichtigen
Beziehung zwischen der Beschickungsgeschwindigkeit und den andern oben erwähnten bestimmten Grössen herrührt.
Mit einer Reihe von Untersuchungen und Messungen konnte gefunden werden, dass die richtige Beziehung und Regulierung der Grössen, auf welchen die Schweissqualität beruht, deutlich bessere Schweissresultate bringen können.
Insbesondere ist es bei Widerstands-Schweissstromregeleinrichtungen wichtig zu berücksichtigen, dass der
Schweissstrom in den eigentlichen Schweissstrom und den Rückstrom unterteilt wird. Mit dem Ausdruck "Rückstrom" ist der Teil des Stromes gemeint, der durch den hinteren Teil des Rohres, gegenüber der
Schweisszone, fliesst. Die genaue Kenntnis einer solchen Unterteilung des Schweissstromes ist sehr wesentlich, da das Verhältnis des eigentlichen Schweissstromes zu der Beschickungsgeschwindigkeit des Bandes für das
Schweissverfahren bestimmend ist. Beim Hochfrequenzschweissen ist das Verhältnis der Hochfrequenzenergie zur Beschickungsgeschwindigkeit des Bandes äusserst wichtig. Entscheidend für die Qualität der Schweissergebnisse ist auch die Temperatur der Schweissfuge.
Diese Grösse ist für das Hochfrequenzschweissverfahren, für das Argon-Bogenverfahren, für die Widerstandsstossschweissung und für das"U. P." oder das verdeckte Lichtbogenverfahren von Bedeutung.
Die üblichen Schweissstromregeleinrichtungen zur Herstellung von geschweissten Rohren sind nicht in der Lage, das Verhältnis der elektrischen Schweissenergie zu der Beschickungsgeschwindigkeit des Bandes zu berücksichtigen, noch das Verhältnis der elektrischen Schweissenergie zu dem Stauchdruck, noch sind sie zur kontaktlosen Aufnahme der Temperatur der Schweissfuge imstande. Aus diesen Gründen weisen die Vorrichtungen für die früheren Techniken eine Reihe von Nachteilen auf, die von der Tatsache herrühren, dass die vorerwähnten bestimmenden Grössen nicht gemessen und richtig berücksichtigt werden.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Schweissregeleinrichtung zur Herstellung von geschweissten Rohren zu schaffen, die mindestens einen oder mehrere der aufgezählten Nachteile der bekannten Arbeitsverfahren, entsprechend der früheren Technik, vermeidet.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung für das selbstregulierte Schweissen von Metallrohren ohne einen oder mehrere der Unzukömmlichkeiten, die durch die Vorrichtung der früheren Techniken verursacht werden, anzugeben.
Diese Aufgaben werden für die analoge Schweissstromregeleinrichtung der eingangs erwähnten Art durch die Erfindung dadurch gelöst, dass an die Messwert-Umsetzer für mindestens den Schweissleistungs-Istwert, den Stauchdruck und die Temperatur der Schweissnaht Dividierstufen angeschlossen sind, denen Vergleicherstufen mit vorgebbarer Grenzwertüberwachung nachgeschaltet sind, von denen jede mit einer der Dividierstufen verbunden ist und die in Serie zu einer Summierstufe geschaltet sind, wobei als Eingangsgrössen jeder
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Vergleicherstufe die Ausgangsspannung der jeweils angeschlossenen Dividierstufe und ein von Hand aus in jeder Vergleicherstufe eingebbarer Grenzwert dienen, dass weiters die Summenspannung der Summierstufen einer
Stellstufe einer der Kenngrössen zugeführt wird.
Weitere Vorteile der Erfindung werden an Hand der beispielsweisen Ausführungen unter Hinweis auf die angeschlossenen Zeichnungen verdeutlicht ; hiebei zeigt Fig. 1 eine vereinfachte Ansicht eines Rohres, das gemäss der Erfindung verschweisst ist, und der Messglieder für die kontinuierliche elektrische Messung der bedeutenden Kenngrössen bei der Herstellung von geschweissten Rohren. In Fig. 2 ist in einem Blockschema eine
Schaltungsanordnung der Einrichtungen nach der Erfindung verdeutlicht und Fig. 3 zeigt ein Blockschema einer weiteren beispielsweisen Schaltungsanordnung der Einrichtung nach der Erfindung.
Die Schweissregelanordnung gemäss der Erfindung umfasst im wesentlichen die Stufen der kontinuierlichen Messung der Grundgrössen, solche wie die Beschickungsgeschwindigkeit des Bandes, die tatsächliche elektrische Schweissleistung, den Stauchdruck und die Temperatur der Schweissnaht ; hiebei wird eine solche Grundgrösse als Bezugsgrösse ausgewählt, wandelt die gemessenen Werte in elektrische Signale um, stellt Verhältnisse der Signale, entsprechend jeder der drei Grundgrössen, zu den Signalen, entsprechend der Bezugsgrösse, zur Erzielung von drei Quotientensignalen her, die den gebildeten Quotienten entsprechen. Ausserdem werden drei Grenzsignale für die Quotienten festgelegt, u. zw. solche, die die optimalen Schweissresultate ergeben.
Anschliessend stellt man einen Vergleich zwischen jedem Quotientensignal und dem entsprechenden vorgegebenen Grenzsignal zur Erzielung von drei Differenzsignalen, bildet die algebrische Summe der drei Differenzsignale zur Erzielung eines Summensignals und veranlasst, dass das Summensignal auf die drei Grundgrössen eine Wirkung ausübt. Die Wirkung des Summensignals auf die drei Grundgrössen löst einen selbstregulierenden Prozess der genannten Grössen aus, u. zw. so, dass die optimalen Schmelzbedingungen wieder erreicht werden, die festgesetzt sind, wenn die drei Grenzsignale vorgegeben sind.
Nach Fig. l, welche das zu schweissende Rohr und die Messwert-Umsetzer für die Messung der Kenngrössen und deren Umwandlung in elektrische Signale zeigt, wird die Beschickungsgeschwindigkeit des Bandes--l-- mittels des Messrades --2-- gemessen, das mit einem Tachogenerator--3--und einer Regeldrossel--4-- verbunden ist, deren Ausgangsspannung der Beschickungsgeschwindigkeit des Bandes proportional ist. Der Stauchdruck wird mittels einer bekannten Einrichtung --6-- gemessen, die direkt mit den Stauchrollen--5 und 5'--verbunden ist ; der gemessene Druck wird in eine elektrische Spannung durch die Regeldrossel-7--
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erfasst, das ein magnetisches Einstellgerät aufweist.
Die an die Schweisselektroden angelegte Spannung wird mittels einer bekannten Einrichtung--10--gemessen. Die Kenngrösse, die sich durch Multiplikation der
Ausgangsspannungen der Einrichtungen-10 und 11-ergibt, entspricht der Schweissleistung, die bei dem
Schweissvorgang aufgewendet worden ist.
Entsprechend der Kenntnis der aktiven Schweisskraft ist es nötig, die Bremsenergie von der Gesamtenergie abzuziehen. Mit dem Ausdruck "Bremsenergie" soll hier der Teil der Energie bezeichnet werden, welche als eine
Folge des Faktums, dass ein Teil des gesamten Stromes, vorzugsweise der Rückstrom, in den hinteren Teil des
Rohres fliesst, entgegengesetzt der Schweisszone, dispergiert ist. In Übereinstimmung mit der Darstellung der Erfindung wird der Rückstrom mittels eines magnetischen Einstellgerätes ?-12-gemessen, an das die Regeldrossel--13--angeschlossen ist, die eine Ausgangsspannung proportional dem Wert des Rückstromes liefert. Die Spannung, die sich durch Multiplizieren der Ausgangsspannungen der Messwert-Umsetzer --10 und 13-- ergibt, ist der Schweissverlustleistung proportional.
Die Temperatur der Schweissnaht wird an einer Stelle unmittelbar nach der Schweisszone gemessen. In Übereinstimmung mit der Darstellung der Erfindung wird die Messung mittels einer neuen Anordnung durchgeführt, die entsprechend dem folgenden Prinzip arbeitet. Ein alternierendes magnetisches Feld, das in einer Spule--15-erzeugt wird, welche wassergekühlt und von einer Leistungsstufe--14--gespeist wird, erzeugt Wirbelströme in dem Teil des Rohres, das gerade verschweisst worden ist. Die Wirbelströme sind durch die Temperatur der Schweissnaht in solcher Richtung begrenzt, dass ein Kurzschlusseffekt in dem verschlossenen Rohr entsteht, das von dem Magnetfeld überlagert wird, wobei das induzierte Magnetfeld einer zweiten Spule --16-- sich überträgt.
Diese Wirkung ist um so stärker, je kälter die Schweissnaht und je höher die Stärke der induzierten Ströme ist. Wenn die Stärke der Induktionsströme eine direkte Funktion der Temperatur der Schweissnaht ist, so gibt die Regeldrossel--17--, die an der zweiten Spule--16--angeschlossen ist, direkt eine Messspannung, die der Temperatur der Schweissnaht proportional ist.
In Fig. 2 ist eine Schaltungsanordnung einer vollständigen Einrichtung nach der Erfindung dargestellt, bei der die Teile--4, 7,10, 11,13 und 17--, die den Teilen im obenstehenden unter Hinweis auf die Fig. 1 gleich sind, mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Die Ausgangsspannung des Messglieder proportional dem gesamten Schweissstrom, und die Ausgangsspannung des Messgliedes--10--, entsprechend der angelegten Spannung, werden als Eingangsgrössen dem Multiplizierer --19-- zugeführt, dessen Ausgangsgrösse ist eine abgeleitete Spannung entsprechend der gesamten Leistung, die für den Schweissvorgang aufgewendet worden ist. Die Ausgangsspannung des Messgliedes
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Schweissleistung subtrahiert und eine Ausgangsspannung gibt, die der aktiven Schweissleistung proportional ist.
Die Ausgangsspannungen der Messwert-Umsetzer--4 und 7-, die proportional der Beschickungs- geschwindigkeit--V--des Bandes und dem Stauchdruck--P--sind, werden als Eingangsgrössen einer Dividierstufe --21-- zugeführt, deren Ausgangsspannung dem Verhältnis P/V entspricht, d. h. das Verhältnis des Stauchdruckes zu der Beschickungsgeschwindigkeit des Bandes.
Die Ausgangsspannung der Regeldrossel--4--wird gleichzeitig dem Eingang einer weiteren Dividierstufe
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zugeführt,Dividierstufe--22--ist proportional dem Verhältnis Ne/V, nämlich dem Verhältnis der aktiven
Schweissleistung zu der Beschickungsgeschwindigkeit, während die Ausgangsspannung der Dividierstufe--23-- dem Verhältnis T/V, nämlich dem Verhältnis der Schweissnahttemperatur zu der Beschickungsgeschwindigkeit entspricht.
In der beispielsweisen Ausführungsform nach Fig. 2 ist als Bezugsgrösse die Beschickungsgeschwindigkeit --V-- des Bandes ausgewählt ; ebenso kann jede der vorhin erwähnten Kenngrössen--P, Ne, T--als
Bezugsgrösse gewählt werden, aber es ist als Bezugsgrösse die Beschickungsgeschwindigkeit--V--des Bandes zu bevorzugen, die im nachhinein am schwierigsten einzustellen ist. Es ist bekannt, dass diese Kenngrösse die langsamste, bezüglich der aufeinanderfolgenden Einstellungen ist.
Die Ausgangsspannungen der Dividierstufen--21, 22 und 23--dienen als Eingangsgrössen in den
Vergleicherstufen-25, 26 und 27--, die mit Grenzwertstufen für die festgelegten Verhältnisse P/V, Ne/V und
T/V versehen sind. Diese Grenzwerte werden entsprechend den optimalen Schweissbedingungen festgelegt. Die
Ausgangsspannungen der Bestandteile--21, 22 und 23--werden mit den vorgegebenen Grenzwerten in den
Vergleicherstufen--25, 26 und 27--ausgewertet und ausgangsseitig sind drei Komparatoren in Serie an eine Summierstufe--28--angeschlossen, so dass die Ausgangsspannungen der drei Komparatoren in der Stufe --28-- algebraisch summiert werden und als Ausgangsspannung ein Summensignal auftritt.
Diese
Summenspannung wird verstärkt und einem Stellmotor --29-- zugeführt, dessen Stellglied--30--die
Stellgrösse festlegt.
In einer vorteilhaften Anordnung der erfindungsgemässen Vorrichtung sind die Dividierstufen--25, 26 und 27-- mit Hilfsgliedern --25',26-- und 27'-- versehen, mittels welchen es möglich ist, gemäss dem festgelegten perzentuellen Einfluss die entsprechende Ausgangsgrösse zu vergrössern oder zu verringern. Auf diesem Weg wird die Summenspannung der Addiereinheit--28--mehr oder weniger durch jede der drei Grundgrössen beeinflusst werden, entsprechend der perzentuellen Bedeutung, die jeder Einzelgrösse mittels der erwähnten Hilfsglieder-25', 26'und 27'-zukommt.
In Fig. 3 werden für die unveränderten Bestandteile der Fig. 1 und 2 die gleichen Bezugszahlen verwendet und nun eine anddere abgewandelte Anordnung der Einrichtung gemäss der Erfindung beschrieben. In dieser Anordnung werden die Beschickungsgeschwindigkeit--V--des Bandes und der Stauchdruck--P--als Bezugsgrössen festgelegt, während die Summenspannung über die Summierstufe--36--den Schweissstrom nachstellt, der von dem Leistungsstellglied --8-- geregelt wird, bis das Summensignal aufgehoben wird.
Die Schaltung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der Schaltung nach Fig. 2 insofern, als die Verbindung der Messglieder --4, 7,11, 17 und 20--mit den Dividierstufen--23, 31, 32--auf solchem Weg angeordnet ist, dass die Ausgangsspannungen dieser Dividierstufen dem Verhältnis T IV, nämlich dem Verhältnis der Nahttemperatur zu der Beschickungsgeschwindigkeit, weiters dem Verhältnis I/V, nämlich dem Verhältnis der Stärke des Gesamtstromes zu der Beschickungsgeschwindigkeit und dem Verhältnis Ne/P, nämlich dem Verhältnis der tatsächlichen Schweissleistung zu dem Stauchdruck, proportional sind.
Die Ausgangsspannungen der Dividierstufen-31, 32 und 23-dienen als Eingangsgrössen für die Vergleicherstufen-33, 34 und 35--, die gleichartig den Dividierstufen--25, 26 und 27--in Fig. 2 aufgebaut sind und in Serie mit der Summierstufe--36--geschaltet sind.
Die Ausgangsspannungen der Vergleicherstufen--33, 34 und 35--werden, gegebenenfalls nach einer festgelegten perzentuellen Modifizierung derselben, als Eingangsspannungen der Summierstufe--36-- zugeführt. Die Summenspannung der Summierstufe--36--wird verstärkt und dient als Stellspannung für den Regelmotor--37--, der über einen Stellwiderstand--38--den Schweissstrom regelt, den das Leistungsstellglied --8-- abgibt, bis das Summensignal aufgehoben wird.
Die Schweissregelanordnung nach der Erfindung kann vorteilhafterweise bei der Herstellung von geschweissten Metallrohren mit dem Argonbogen-Schweissverfahren, dem Widerstandsstossschweissverfahren und dem Hochfrequenzschweissverfahren verwendet werden. Die technologischen Vorteile der Erfindung können in demselben Ausmass auch bei dem sogenannten"U. P."-Schweissverfahren Verwendung finden.