CH667228A5 - METHOD AND DEVICE FOR MONITORING OR CONTROLLING THE WELDING PROCESS WHEN WELDING WORKPIECES IN THE ARC WELDING PROCESS. - 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. DESCRIPTION The invention relates to a method and a device for monitoring or controlling the welding process when welding workpieces, in particular those that differ in at least one component of the material, during automatic arc welding.
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. As is well known, one of the most dangerous defects in a weld seam is the inadequate welding of the materials to be joined, as this greatly reduces the strength of the weld connection. The cause of the defective welding is often to be found in the inaccurate welding torch or electrode guide in its position to the welding joint, which leads to the fact that at the welding point the one material is insufficient, i.e. is melted with insufficient penetration depth.
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. For the aforementioned reasons, it is in many cases necessary to test the welded joint after the welding process has ended, which among other things. with a radiographic test using X-rays or ultrasound.
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. It goes without saying that the quality inspection of a welded joint after the completion of the welded seam is basically only a makeshift measure, since it can only lead to the recognition of workpieces with defective welded joints as scrap, but not to eliminating the actual reason for the defective welded joint.
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. In the past, considerable efforts have been made to improve the quality of the weld seams by means of more precise seam guidance in the automatic welding process with and without welding robots, and thus to prevent the production of rejects. So far, however, these efforts have had no resounding success. This applies in particular to the thin sheet area, where the use of sensors to improve the seam guidance during welding operation has so far not been possible with satisfactory success.
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. The object of the invention is to provide a method which is also suitable for the thin sheet metal area and with which it is reliably possible to considerably improve the weld seam guidance during welding operation, i.e. to achieve perfect welding of the materials to be joined. The method according to the invention is intended in particular for automatic electric arc welding with or without the use of robots. The invention also aims at a suitable device for carrying out the method.
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. The above-mentioned object is achieved with the method according to the invention in that during the welding process the emitted radiation of the welding zone is determined by spectral analysis using an emission spectrometer and evaluated to provide a monitoring signal and / or a signal correcting the welding process.
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 According to the invention, a spectrometer known per se is used as a sensor for scanning the welding point, which spectrometer and the like are used for the spectral analysis of the composition of metal alloys. is used. In the method according to the invention, the spectrometer functions as a sensor that monitors the process sequence for the continuous monitoring of the light coming from the welding point or the arc. If workpieces to be welded differ from one another in at least one component of the material, it can be reliably determined by spectroscopic evaluation of the arc whether the base materials of both workpieces to be joined are melted. This gives the possibility of a constant statement as to whether a perfect material connection is achieved with the seam guidance. The deviation of the to be welded
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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. Workpieces in at least one material component are the same for welding work in the thin sheet area. in many cases, or can be chosen in manufacturing or construction. The method according to the invention can be carried out most simply if the two materials alternately each contain at least one alloy component which is not present in the other material. On the other hand, the differences in the constituents of the substance can also consist in their respective proportions within the alloy. Since it is not only possible to obtain a qualitative statement by spectrometry, but also a quantitative statement about the proportions of certain components via the intensity of the spectral lines and the photoelectrically obtained measured values, the method according to the invention can also be used where the materials of the Workpieces to be welded differ either in their material composition and / or in their quantitative compositions.
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. The method according to the invention can be used even if the workpieces to be welded are the same. In this case, the seam edges of the two workpieces to be joined, the melting of which is to be checked, are each monitored separately by spectrometry.
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. Upper and lower tolerance values can also be taken into account in the automatic evaluation by means of an emission spectrometer, so that the welding process can also be monitored with regard to the upper and / or lower tolerance values of certain alloy components. The method according to the invention can only be used to monitor the welding process or, in a preferred embodiment, can also be used for process control or regulation. Since, as mentioned, information about the amount of the melted material is also obtained about the intensity of the emitted light, information about the position of the weld seam on the base material of the two workpieces can be made about increasing and decreasing intensities. The evaluation of the measurement results of the emission spectrometer can be carried out using electronic equipment, e.g. in such a way that the position of the weld seam is automatically corrected on the basis of the increasing and decreasing intensities of the spectral lines.
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. The radiation is expediently transmitted to the emission spectrometer, which can be set up stationary, with the aid of an optical fiber, in particular fiber optics. Quartz fibers are particularly suitable. As a result, the detection and control devices endangered by any welding spatter are outside the endangered area.
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. The device for carrying out the method according to the invention is characterized above all by the fact that a holder for fiber optics directed towards the welding zone is arranged on the welding head or welding torch. However, the fiber optic is preferably arranged so as to be adjustable in its angular position in relation to the welding zone, so that it can be aligned directly with the welding point or with the arc. The holder preferably consists of a swivel member movable on the welding head or torch, e.g. a swivel arm or the like, which carries the fiber optics and can be adjusted to the desired distance from the welding point or the arc. The emission spectrometer is advantageously connected to a microprocessor with evaluation electronics, which is also provided with control electronics for readjustment.
Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: The invention is explained in more detail below in connection with the exemplary embodiments illustrated in the drawing. The drawing shows:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemässe Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäs-sen Verfahrens; 1 shows a schematic representation of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention;
Fig. 2 in Seitenansicht eine erfindungsgemässe Einrichtung mit am Schweiss- bzw. Brennerkopf angeordneter Faseroptik; 2 shows a side view of a device according to the invention with fiber optics arranged on the welding or torch head;
Fig. 3 in der Darstellung der Fig. 2 eine geänderte Ausführungsform der Erfindung. Fig. 3 in the representation of Fig. 2 shows a modified embodiment of the invention.
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. In the drawing, two z. B. consisting of thin sheet metal workpieces, which are connected by a weld 3. 1 in FIG. 1 denotes a welding torch or welding head of an automatic welding device or a welding robot. Workpieces 1 and 2 are preferably connected using the automatic arc welding method.
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. In order to achieve a perfect connection or a sufficiently deep penetration at the abutting edges of workpieces 1 and 2 during the welding process, the welding point or the arc is scanned during the welding process. Here, an emission spectrometer 5 with a fiber optic 6, 7 is used as the sensor, the part 6 of which is formed by a head piece in which a light guide in the form of a fiber 7 or a fiber bundle, preferably made of quartz, is held at its end. The light guide is attached at the other end to the entry slit 8 of the emission spectrometer 5, which can be arranged in a stationary manner.
Am Schweisskopf bzw. Schweissbrenner 4 ist ein einer Halterung 9 das Kopfstück 6 der Faseroptik so befestigt, On the welding head or welding torch 4, a holder 9, the head piece 6 of the fiber optics is fastened in such a way that
dass es genau auf die Schweissstelle bzw. den Lichtbogen ausgerichtet ist und das emittierte Licht über den Faserleiter 7 dem Emissionsspektrometer zugeleitet wird. that it is precisely aligned with the welding point or the arc and the emitted light is fed to the emission spectrometer via the fiber conductor 7.
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. The emission spectrometer 5 is of a known design; it consists of a spectral apparatus in which the radiation from the arc or the welding point is broken down into the individual spectral lines, the intensity of a selected spectral line being measured photoelectrically. The ratio of the intensities of certain spectral lines, which represent certain alloy components of workpieces 1 and 2, can also be measured photoelectrically, the measured ratio being a measure of the amount of these components in the welding bath. The exit columns 10 and 11 of the emission spectrometer 5 are set to the selected spectral lines. Behind these columns are arranged photoelectric receivers 12, the electrical signals of which are fed to a microprocessor 13 which is provided with evaluation electronics and with control electronics for the automatic readjustment of the welding head or welding torch 4. In the readjustment, the welding head or welding torch 4 is set to the desired position in which the desired flawless welding of the material of the two workpieces 1 and 2 is given. In Fig. 1, the directions of the adjustment movements are indicated by the four arrows.
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 Fig. 2 shows a curved machine torch with the holder 9 for the head piece 6 of the fiber optics. The head piece 6 is mounted at the free end of a swivel arm 14, adjustable by means of a screw device 15 in the direction of the longitudinal axis of the swivel arm. The other end of the swivel arm 14 is pivotally mounted at 16 about a transverse axis, and it can be fixed in the different swivel positions with its locking screw or the like. The joint 16 is located on a clamp 17 or the like. of the torch or welding head 4 '. With
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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. With the help of the aforementioned setting options, the head piece 6 of the fiber optics can be brought into the intended distance from the welding point and aligned with it or with the arc.
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. In the embodiment according to FIG. 3, the fiber optics 6, 7 are adjustably mounted with their holder on a straight machine torch 4 ". The latter has a short swivel member 14 'on a sleeve 17 or the like, on which the head piece 6 of the fiber optics is attached by means of of the thread adjusting device 15 is arranged so as to be adjustable, 18 denotes a gas pipe for the protective gas supply.
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, During the welding operation, the radiation emitted at the welding zone or through the arc and fed to the emission spectrometer 5 via the fiber optics 6, 7 is determined by the latter in the manner mentioned and for the delivery of a monitoring and / or a control or regulating signal correcting the welding process evaluated. The evaluation results are evaluated by the evaluation electronics of the microprocessor 13. If the optimal welding conditions are not given,
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. an optical and / or acoustic warning signal can be triggered. However, the arrangement is preferably such that automatic readjustment is carried out with the aid of the control electronics of the microprocessor 13, in which the position of the welding torch or welding head relative to the position of the welding point in the sense of achieving the desired welding or the desired penetration to the Joints of workpieces 1 and 2 is readjusted. Monitoring and precise control of the melting of the material of the parts 1 and 2 to be connected is thus possible, and accordingly a check of the position of the weld seam 3 to the predetermined joint of the two parts 1 and 2 can be achieved in the sense of achieving the correct connection and welding through.
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. The method according to the invention and the device according to the invention can be used with particular advantage for monitoring and / or controlling welding machines with or without a welding robot. A welding seam position specified in the program can be continuously checked and, if necessary, corrected in welding operation using the method according to the invention in order to achieve optimal welding results.
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