CH635683A5 - Vorrichtung zur feststellung und ortung von schweissfehlern. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung und Ortung von Schweissfehlern während des Schweissvorganges, bei dem die Werkstücke einerseits und eine Schweisselektrode andererseits relativ zueinander bewegt werden. Die Feststellung und Ortung von Schweissfehlern ist besonders an mehrlagigen Schweissstellen erwünscht, die bei der Verbindung von besonders dicken Werkstücken, z.B. Abschnitten von Druckkesseln und Rohren, erforderlich sind. Beim Verschweissen solcher Ab-5 schnitte werden oft über 75 einzelne Schweisslagen übereinander angebracht. Eine bekannte Methode bei der Herstellung solcher Schweissnähte ist das Unterpulverschweissen, wobei der zwischen der Schweisselektrode oder dem Schweissdraht und den Werkstücken entstehende Lichtbogen in ein geeignetes io Flussmittel eingetaucht wird. Selbstverständlich kann die Erfindung auch in gleicher Weise bei anderen Schweissarten, z.B. beim Wolfram-Inertgas-Schweissen (WIG) angewendet werden.

Für die Stabilität der miteinander verschweissten Werkstük-15 ke ist es unbedingt erforderlich, dass die Schweissnaht fehlerlos ist, wobei solche Fehler zum Beispiel durch den Einschluss von Schlacke oder mangelhafter Verschmelzung entstehen können, was jedoch während des Schweissvorgangs nicht sichtbar wird. Solche Schweissfehler werden, wie bekannt, in zerstörungsfrei-20 en Untersuchungsverfahren erst dann festgestellt, wenn die Schweissnaht schon fertig hergestellt ist. Die Behebung von Schweissfehlern, die auf diese Weise entdeckt werden, ist kosten- und zeitaufwendig, da mitunter mehrere einwandfreie Schweisslagen entfernt werden müssen, um die fehlerhafte Stel-25 le freizulegen, damit die Reparaturarbeiten beginnen können.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe Schweissfehler während des Schweissvorganges festgestellt und geortet werden können, so 30 dass sich der Schweissvorgang sofort unterbrechen lässt und der Schaden an Ort und Stelle behoben werden kann. Es ist bekannt, dass beim Giessen entstehende Werkstückfehler, wie Lunker, Schlackeneinschlüsse etc, beim Verfestigen des Werkstückmaterials durch Abkühlen Ultraschallwellen aussenden. 35 Analog wurde festgestellt, dass Werkstückfehler auch beim Erhitzen auf Verflüssigungstemperatur, wie dies beim Schweissen der Fall ist, Ultraschallwellen aussenden. Unter Ausnützung dieses Sachverhalts sollen mit der Vorrichtung Schweissfehler mit Hilfe der akustischen Signale festgestellt werden, die beim 40 Schweissvorgang von der Schweisszone aus das Werkstück durchlaufen. Dabei sollen nur jene Signale als Hinweis auf einen Schweissfehler registriert werden, die in einen bestimmten Frequenzbereich fallen. Innerhalb des vorbestimmten Frequenzbereiches sollen dabei nur jene akustischen Signale registriert wer-45 den, die aus einem Bereich in einem vorgegebenen Abstand vor und hinter dem Schweissbogen ausgesandt werden. Die Vorrichtung soll nur dann Fehler anzeigen, wenn eine gewisse Anzahl von Signalen aus einem bestimmten Schweissabschnitt ausgestrahlt werden.

50 Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass der Schweissfehler dadurch geortet wird, dass man den Zeitunterschied misst, der sich aus dem Weg der registrierten Signale zu zwei Punkten ergibt, die in einem Abstand voneinander und in einer bestimmten räumlichen Anordnung in Bezug auf den 55 Schweissbogen liegen. Hierbei sollen störende, akustische Signale innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereiches ausgeschieden sein, indem nur solche Signale registriert werden, die aus dem Bereich zwischen den beiden, in einem Abstand voneinander liegenden Punkten stammen. Der sich bildende 60 Schweissfehler und dessen Ortung soll dabei sofort auf einer geeigneten Ablesevorrichtung und/oder durch Markierung auf dem Werkstück angezeigt werden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Figuren der beiliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. 65 Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schweiss-monitors und

Fig. 2 einen Teilschnitt durch eine typische Unterpulver-schweissvorrichtung in vereinfachter Form.

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In den Zeichnungen wird ein Schweissmonitor zur Feststellung und Ortung von Schweissfehlern während des Schweissvorganges gezeigt, bei dem Werkstücke 1 und 2 verschweisst werden. Diese Werkstücke können jede beliebige äussere Form haben, z.B. eine flache, gebogene oder ringförmige. In einigen Fällen hat das Schweissgerät eine Elektrode 3, die sich bewegt, während die miteinander zu verschweissenden Werkstücke feststehen. In dem abgebildeten Beispiel ist die Elektrode 3 feststehend und die Werkstücke 1 und 2, wie z.B. Abschnitte von dickwandigen Rohren, werden in Pfeilrichtung mit einer bestimmten Geschwindigkeit an der Elektrode vorbeigeführt. In beiden Fällen kann man annehmen, dass die Geschwindigkeit zwischen den Werkstücken und der Elektrode ungefähr 30 cm pro Minute beträgt. Wie in Fig. 2 abgebildet, wird der an der Elektrode 3 gebildete Schweissbogen während des gesamten Schweissvorganges in einem Flussmittel 3 A eingetaucht.

Bei üblichen Verfahren kann die Güte der Schweissnaht erst dann festgestellt werden, wenn der Schweissvorgang abgeschlossen ist und die miteinander verschweissten Werkstücke zu einem Prüfstand geführt werden, wo sie durch zerstörungsfreie Untersuchungsmethoden, z.B. Ultraschall oder Radiographie, untersucht werden. Wird ein Fehler festgestellt, muss ein beträchtlicher Teil der Schweissnaht abgetragen werden, um den Fehler freizulegen. Da bis zu 75 oder noch mehr Schweisslagen notwendig sind, um eine Schweissnaht herzustellen, ist dieser Vorgang zusammen mit dem neuerlichen Verschweissen des gesamten Abschnitts der Schweissnaht kosten- und zeitaufwendig.

Erfindungsgemäss werden Schweissfehler während des Schweissvorganges festgestellt und geortet, so dass der Schweissvorgang sofort unterbrochen, der Feher in der Schweissnaht behoben und der Schweissvorgang fortgesetzt werden kann, wodurch Zeit- und Kostenaufwand beträchtlich gesenkt werden.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, werden akustische Signale, die eines der beiden Werkstücke, wie z.B. das Werkstück 2, durchlaufen, von einem vorderen elektroakustischen Wandler 4 und einem hinteren elektroakustischen Wandler 5 jeder geeigneten Bauweise, wie z.B. piezoelektrische oder elektromagnetische, aufgenommen. Die Wandler 4 und 5 bleiben an fixen Stellen in Bezug auf die Elektrode 3, und zwar auf einer Linie, die zur Schweissfuge parallel verläuft. Der vordere Wandler liegt genau vor der Elektrode 3, bevor der Schmelzvorgang beginnt. Der hintere Wandler liegt hinter der Elektrode 3 und schliesst unmittelbar an die Erstarrungszone an. Ein Schweissfehler, wie z.B. ein Schlackeeinschluss, erzeugt zumeist in der Erstarrungszone ein akustisches Signal. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass unter bestimmten Bedingungen, z.B. abhängig von Materialdicke und Schweissbedingungen, ein schon früher entstandener Schweissfehler ein akustisches Signal erst bei den darauffolgenden Schweisslagen erzeugen kann, wenn die hohen Temperaturzonen in der Umgebung des Schweissbogens erreicht werden.

Die Wandler 4 und 5 nehmen wohl die akustischen Signale von Schweissfehlern auf, registrieren aber gleichzeitig ebenso verschiedene akustische Signale, die die Werkstücke durchlaufen und die man allgemein als Hintergrundgeräusche bezeichnet. Akustische Signale von Schweissfehlern erreichen einen Höchstwert innerhalb eines bestimmten, feststellbaren Frequenzbereiches. Weiter haben die durchschnittlichen Hintergrundgeräusche eine relativ kleine Amplitude. Die von den Wandlern 4 und 5 registrierten Hintergrundgeräusche können im wesentlichen dadurch ausgefiltert werden, dass man in die Verstärker 6 und 7, die die in den Wandlern 4 und 5 registrierten Signale empfangen, Bandpassfilter 8 und 9 einbaut, die nur akustische Signale mit einer Amplitude über einem bestimmten Schwellenwert durchlassen und nur jenen Frequenzbereich durchlassen, in dem die von Schweissfehlern erzeugten Signale liegen. Daher werden am Ausgang der Bandpassfilter 8 und 9

solche Signale abgenommen, deren Amplitude einen bestimmten Schwellenwert übersteigt und die in einen bestimmten Frequenzbereich fallen, der auf einen Schweissfehler hinweist.

Zur Ortung eines festgestellten Schweissfehlers werden die s Ausgangssignale aus den Verstärkern 6 und 7 in eine Zählvorrichtung 10 eingegeben. Diese wird dann eingeschaltet, wenn sie ein Signal aus dem einen Verstärker empfängt und abgeschaltet, wenn sie ein Signal aus dem anderen Verstärker empfängt. Gleichzeitig erzeugt sie ein Ausgangssignal, das an einen Spei-lo cher 11 weitergeleitet wird. Die Zählvorrichtung zählt von einer Anfangseinstellung hinauf oder hinunter, je nachdem, ob zuerst ein Signal aus dem Verstärker 6 oder 7 ankommt. Ergeben die ankommenden Signale einen Zeitunterschied gleich Null, so ergibt sich kein Ausgangssignal, da akustische Signale, die gleich-15 zeitig bei den Wandlern 4 und 5 ankommen, typisch für Hintergrundgeräusche sind, die von Bereichen ausserhalb der Schweisszone herrühren. Zählerergebnisse unter einem bestimmten Minimalwert und über einen bestimmten Maximalwert werden ebenso ausgeschieden, da sie von einer Quelle her-20 rühren, die ausserhalb des Prüfbereichs zwischen den Wandlern 4 und 5 liegt bzw. wurden akustische Signale nur von einem Wandler, nicht aber vom anderen empfangen. Nach Abschluss jedes einzelnen Zählvorganges stellt die Zählvorrichtung 10 wieder auf die Anfangseinstellung zurück.

25 Daraus ergibt sich, dass die Auswertung von Störsignalen weitgehend vermieden wird, da die Signalquelle zwischen den Wandlern 4 und 5 liegen, von beiden Wandlern empfangen werden, sowie eine Frequenz innerhalb des vorherbestimmten Frequenzbereiches haben muss und eine Amplitude über einem 30 bestimmten Schwellenwert haben muss. Zur weiteren Vermeidung von Fehlanzeigen durch Störsignale sieht die Erfindung vor, dass eine Anzahl von gültigen Signalen aus bestimmten Abschnitten der Schweissraupe aufzunehmen ist, die zwischen den Wandlern 4 und 5 liegen. Zum besseren Verständnis ist der 35 Monitorbereich zwischen den Wandlern 4 und 5 in sieben Abschnitte unterteilt. Selbstverständlich kann dieser Bereich in mehr oder weniger Abschnitte von gleicher oder verschiedener Länge unterteilt werden, je nach den Erfordernissen einer bestimmten Anwendungsform. Die von der Zählvorrichtung 10 40 ermittelten Fehlerortungen aus jedem ausgewählten Abschnitt werden an einen Speicher 11 weitergeleitet, der nach Erreichen einer bestimmten Anzahl von Fehlersignalen aus einem bestimmten Abschnitt eine Markiereinrichtung 12 auslöst, die auf dem Werkstück 1 jenen Abschnitt markiert, aus dem eine be-45 stimmte Anzahl von Fehlersignalen aufgenommen wurden. Gleichzeitig kann das Ausgangssignal an eine Alarmvorrichtung und an eine Ablese Vorrichtung 13 weitergeleitet werden.

Eine solche Vorrichtung kann die Fehlerortung in verschiedenen Formen darstellen. Die Ablesevorrichtung 13 kann bei-50 spielsweise ein Bandschreiber sein, der für jeden einzelnen Abschnitt einen Schreiber aufweist. Bei normalem Betrieb sind die von solchen Schreibern auf dem parallel ablaufenden Streifen 13B aufgezeichneten Spuren im grossen und ganzen Wellenlinien. Wie 13A zeigt, werden jedoch durch ein Signal aus dem 55 Speicher 11 deutliche Ausschläge gezeigt.

Der Schreiber 13 enthält auch eine Markiervorrichtung 14 für die einzelnen Schweisslagen, die beim Beginn jeder einzelnen Schweisslage eine Markierung anbringt, wie 14 A zeigt. Die Markiervorrichtung 14 wird zu Beginn jeder einzelnen so Schweisslage durch einen Schalter 15 betätigt, der kurz von einem Auslöser 15A geschlossen wird, der an dem Werkstück 2 verstellbar angebracht ist. Stellt man zwischen den Ordinaten des Diagramms 13B und der Länge des hier beschriebenen Schweissabschnittes, sowie zwischen den Abszissen des Dia-65 gramms 13B und der Verschiebung der Werkstücke 1 und 2 in Bezug auf die Elektrode 3 eine Beziehung her, so ergibt sich die Oberflächenortung eines Schweissfehlers der Schweissraupe aus der Ortung der Markierung aus dem Diagramm, wie unter 13 A

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abgebildet. Der Tiefenabstand des Schweissfehlers von der Oberfläche der Werkstücke kann festgestellt werden, indem man mit Hilfe des Schreibers 14 die Anzahl der Schweisslagen ab der ersten Lage zählt, da jede Schweisslage im wesentlichen die gleiche Menge auf die Schweissraupe aufträgt.

Eine Ablesevorrichtung 17, wie z.B. eine Kathodenstrahlröhre, kann zur Anzeige akustischer Signale durch die Wandler

4 und 5 vorgesehen werden, wenn diese Signale in den vorbestimmten Frequenzbereich fallen und eine Amplitude über einem bestimmten Schwellenwert aufweisen.

Die herkömmlichen erforderlichen Schaltungsbestandteile, 5 wie z.B. Vorverstärker, Schutzabdeckungen, Erdung usw., sind hier nicht gezeichnet und beschrieben, da solche Bestandteile bei Bedarf jederzeit angebracht werden können.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE

   1. Vorrichtung zur Feststellung und Ortung von Schweiss-fehlern während des Schweissvorganges, bei dem die Werkstük-ke einerseits und eine Schweisselektrode andererseits relativ zueinander bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster elektro-akustischer Wandler (4) in einem bestimmten Abstand vor der Schweisselektrode (3) und ein zweiter elektro-akustischer Wandler (5) in einem bestimmten Abstand hinter dieser vorgesehen ist und sowohl der erste als auch der zweite Wandler die von einem Fehler in der Schweissraupe herrührenden akustischen Signale aufnehmen und ein Ausgangssignal erzeugen, das in Amplitude und Frequenz der Amplitude und der Frequenz der aufgenommenen Signale entspricht, wobei Mittel (8,9) vorgesehen sind, die auf die Ausgangssignale der beiden Wandler reagieren und ein Signal erzeugen, das auf den Fehler in der Schweissraupe hinweist, und dass weitere Mittel vorgesehen sind, die den Zeitunterschied für die Zurücklegung des Weges zwischen diesem Fehler und dem ersten und dem zweiten Wandler durch akustische Signale ermitteln.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinrichtung (11) für die der Fehlerortung dienenden Signale vorgesehen ist, die nach Speicherung einer Anzahl von aus einem bestimmten Abschnitt der Schweissraupe herstammenden Fehlersignalen ein Ausgangssignal erzeugt.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Markiereinrichtung (12) vorgesehen ist, die auf das Ausgangssignal der Speichereinrichtung (11) anspricht und den Abschnitt der Schweissraupe bezeichnet, aus dem die Fehlersignale herrühren.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jene Mittel, die ein auf die Ortung des Fehlers in der Schweissraupe hinweisendes Signal erzeugen, eine Zählvorrichtung (10) aufweisen, die sich einschaltet, wenn das erste Signal ■ von einem der Wandler ankommt, sowie sich ausschaltet und gleichzeitig ein Ausgangssignal erzeugt, wenn das zweite vom zweiten Wandler ankommende Signal empfangen wird.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zählvorrichtung (10) Mittel (8,9) zugeordnet sind, die ihren Arbeitsbereich zur Fehlerortung auf den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Wandler beschränken.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die letztgenannten Mittel (8,9) die Erzeugung eines Ausgangssignals unterbinden, wenn die Zählvorrichtung Signale vom ersten und vom zweiten Wandler aufnimmt.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die letztgenannten Mittel (8,9) die Erzeugung eines Ausgangssignals verhindern, wenn ein Fehlersignal nur von einem, nicht aber auch vom zweiten Wandler aufgenommen wird.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzeigeeinrichtung (13) vorgesehen ist, die auf das Ausgangssignal der Speichereinrichtung (11) anspricht und auf jenen Abschnitt der Schweissraupe hinweist, von dem Fehlersignale herrühren.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anzeigeeinrichtung (13) eine Markiervorrichtung (12) zugeordnet ist, die auf das Ausgangssignal der Speichereinrichtung anspricht, sowie dass die Anzeigeeinrichtung einen Streifen (13 B) umfasst, der mit einer bestimmten, von der Geschwindigkeit der Werkstücke in Bezug auf die Schweisselektrode abhängigen Geschwindigkeit angetrieben wird.