DD153531A1

DD153531A1 - Vorrichtung zur erfassung von schutzgasgeschweissten kehlnaehten

Info

Publication number: DD153531A1
Application number: DD22458980A
Authority: DD
Inventors: Wilfried Faber
Original assignee: Wilfried Faber
Priority date: 1980-10-16
Filing date: 1980-10-16
Publication date: 1982-01-13

Abstract

Die Vorrichtung dient insbesondere zur Prozessregelung bei rechnergestuetzten Steuerungen oder Schweissgeschwindigkeitsregelung bei senorgefuehrten Robotern beim Schutzgasschweissen. Ziel ist, die Qualitaet derartiger Kehlnaehte durch Ueberwachung der Kehlnahthoehe zu sichern. Die Vorrichtung soll auf einfache Weise reproduzierbar und unabhaengig von den Schweissparametern einen Messwert fuer die Hoehe der Kehlnaehte gewinnen. Erfindungsgemaess sind drei unabhaengige optische Empfaengersysteme in Schweissrichtung hinter dem Schweissbrenner angeordnet und derart auf die erstarrende Schmelze und/oder auf die sich bildende Schweissnaht gerichtet, wobei von dem einen Empfaengersystem ein Messpunkt (1) auf der Nahtmittenachse, der in jeden Fall kleiner als die Nahtbreite ist und von dem zweiten Empfaengersystem ein vorzugsweise langgestrecktes Gebiet, welches in jedem Fall groesser als die Nahtbreite ist und den Messpunkt (1) enthaelt und quer zur Schweissrichtung liegt sowie vom dritten Empfaengersystem ein Messpunkt (3) neben der Schweissnaht erfasst werden, und dass die elektrischen Ausgangssignale I tief 1; I tief 2 und I tief 3 dieser Epfaengersysteme einer Auswerteschaltung oder Divisionsschaltung aufgeschaltet werden.

Description

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Vorrichtung zur Erfassung von schutzgasgeschweißten Kehlnähten

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Srfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von schutzgasgeschweißten Kehlnahthöhen zur Steuerung der Schweißparameter unter Zurückführung der Kehlnahthöhenbestimmung auf eine Breitenmessung einer symmetrisch geschweißten Kehlnaht, insbesondere zur Prozeßregelung bei rechnergestützten Steuerungen oder Schweißgeschwindigkeitsregelung bei sensorgeführten Robotern beim Schutzgasschweißen.

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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist "bekannt, daß die Sicherung der Qualität von Schweißungen bei effektiver Arbeitsweise eine Regelung der Schweißprozeßparameter in Abhängigkeit von Bauteiltoleranzen oder anderer nicht beeinflußbarer Faktoren erforderlich macht. Eine Möglichkeit besteht in der Erfassung der Schweißnahtvorbereitung (HD-PS 126 778, DS-OS 2606 123, DE-OS 2453 580, DE-OS 2813 339, DE-OS 2129 531, LE-AS 1930 154). Hiermit lassen sich Toleranzen in der' Nahtvorbereitung erfassen. Die Signalgewinnung ist in jedem Fall sehr aufwendig, insbesondere wegen der i. a. notwendigen Signalspeicherung der verlaufenden Systeme· Bine Anwendung dieser Systeme auf die Erfassung von Kehlnahtstrukturen ist nicht bekannt.

Sine zweite Möglichkeit zur Regelung der Schweißparameter besteht in der Auswertung der Schweißergebnisse. Bekannt sind mechanische Äbtastsysteine zur Erfassung der Nahthöhe. Araya, Sejima und Saikawa (Automatie Arc Welding-Devices Controlles by Microprocessors) berichten zum Beispiel von einer rechnergesteuerten Schweißparametervorgabe, die vom Schweißergebnis ausgeht. Die Nahthöhe einer Füllnahtschweißung wird durch einen mechanischen Taststift ermittelt und dient als Grundlage der Schweißparameterberechnung für die nächste Lage. Eine momentane Regelung, wie sie für eine Einlagenschweißung erforderlich wäre, ist gänzlich unmöglich.

Eine weitere Meßmethode zur Signalgewinnung aus dem Schweißergebnis ist die Erfassung der elektromagnetischen Strahlung von der Naht. Bekannt sind Verfahren und Vorrichtungen (DT-PS 642 216, DT-P3 631 730, DIi-OS 2045 697, DE-OS 2611 171) zur überwachung und Regelung der Schweißparameter durch strahlung sempfindl ic he Empfänger,'die summarisch die gesamte Lichtausstrahlung oder die mittels Filter o. ä. abgesonderte ge--_ri samte Y/ärmeausstrahlung des erwärmten Metalls aus der Schweißzone empfangen, wobei die durch die Farmeänderungen verursachten

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Intensitätsänderungen zur Konstanthaltung des Wärmehaushalts eine Steuerung des Energieeintrages "bzw. der Schweißgeschwindigkeit bewirken. Außerdem gibt es Lösungen, die eine Spektralanalyse der gesamten Lichtausstrahlung (DT-PS 1066 039> DB-AS 1912 344) "beinhalten. Eine Erfassung der Nahtgeometrie für eine Prozeßsteuerung ist mit diesen Lösungen nicht möglich, allenfalls eine Regelung für die Konstanthaltung der Streckenenergie. In der DS-OS 2749 117 ist ein pendelnder Teilstrahlungspyrometer zur Erfassung des Temperatur prof ils- der Naht beschrieben, v/obei dessen Aufgabe im Erkennen von Schweißfehlern besteht. Eine Nahtbreitenmessung wäre damit denkbar, schwierig sind jedoch die Umsetzung des erfaßten Temperaturprofils in eine geometrische Länge, insbesondere wegen der Winkelabhängigkeit der Meßsignale, und die Anpassung an die jeweils herrschenden absoluten Helligkeitswerte·

Sehr aufwendige Lösungen für die Auswertung des Schweißergebnisses werden in der DE-OS 2500 182 und von Niepold (Beobachtung des MAG-Kurzlichtbogenschweißens mit Fernsehsensor zum Fernsteuern und Automatisieren des Schweißvorganges, DVS-Berichte Band 57 , Schweißen und Schneiden 79 S. 38 - 44) beschrieben, bei denen durch Fernsehkameras in Zeitpunkten, in denen der Lichtbogen erloschen ist, das Schmelzbad erfaßt wird. Hiermit gelingt es, aus der Form des Schmelzbades auf die sich bildende Schweißnaht zu schließen. Nachteilig ist der große Aufwand zum einen bei der digitalen Bildverarbeitung und zum anderen bei der notwendigen Verhinderung eines Lichteinfalls vom Lichtbogen.

Technische Lösungen zur Erfassung der geometrischen Struktur von schutzgasgeschweißten Kehlnähten sind nicht bekannt, le'diglich Steuerungen, die eine selbständige Brennerführung in Kehlnähten ermöglichen.(DE-OS 2608 720, DS-OS 2533 448, DE-OS 2546 221). Bekannt ist außerdem die Anwendung von querschnittwandelnden Lichtleitkabeln.

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Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, die Qualität von schutzgasgeschweißten Kehlnähten durch überwachung der Kehlnahthöhe zu' sichern und in Verbindung mit Steuerungen eine Schweißung in hochproduktiven Regimen zu ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, die mit einfachen technischen Mitteln reproduzierbar und unabhängig von den Schweißparametern einen Meßwert für die Höhe schutzgasgeschweißter Kehlnähte gewinnt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kehlnahthöhenbestimmung auf eine Breitenmessung einer symmetrisch geschweißten Kehlnaht zurückgeführt wird.· In diesem Fall gibt es keine Verfälschung durch die i. a. unsymmetrische Kehlnahtüberhöhung, eine Korrektur durch unterschiedliche Kehlnahtflanken entfällt. Die Kehlnahthöhe, die auch als a-Maß bezeichnet wird, ist damit identisch mit der halben Kehlnahtbreite. Voraussetzung für die Bestimmung der Kehlnahthöhe sind das Wirken von zwei unabhängigen Empfangersystemen, wobei das eine ausschließlich der Brennerführung dient und mit dem zweiten eine Breitenmessung erfolgt.

Die Nahtbreitenmessung erfolgt durch Auswertung der von der Naht ausgehenden Sigenstrahlung. Eine technisch einfache Lösung ist durch analoge Bestimmung von Strahlungsmengen möglich. Die Anpassung an unterschiedliche Schweißparameter und Werkstoffe erfordei"t^ine Berücksichtigung der Abstrahlungsbedingungen von der Schweißnaht, in die die Temperatur und die Oberflächenstruktur an der Meßstelle eingehen. Zu diesem Zweck werden

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drei optische Empfangersysterne derart an den Schweißbrenner angeordnet, daß ein Empfänger einen Ausschnitt der Naht,'der vorzugsweise aif der Nahtmittenachse liegt, ein zweiter Itapfänger ein langgestrecktes Gebiet, das die Naht und die angrenzenden Werkstücke umfaßt, und ein dritter Empfänger einen Keßpunkt neben der Naht auf den Werkstückoberflachen erfaßt. Diese drei ]&rpfängersysterne geben drei elektrische Ausgangssignale I^ j I₂ und I« ab, die den einfallenden Strahlungsmengen proportional sind. Die Gewinnung des Nutzsignals für die Nahtbreite und damit für die Kehlnahthöhe erfolgt durch Auswertung der Signale nach der mathematischen Beziehung:

>, _ Io - const. I^ -

¹I - h

wobei . b = Nahtbreite

I. =Signal von Nahtmitte Ip =Signal von Gesamtbreite

I- =Signal von Y/erkstückoberflache const =Verhältnis von Länge des langgestreckten Gebietes zu Meßpunktdurchmesser (1) (3)

bedeuten.

Unter Vernachlässigung des Signals I~ besteht die Möglichkeit einer proportionalen aber nichtlinearen Signalgewinnung für die Nahtbreite.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel und der dazugehörigen Zeichnung näher erläutert werden, die eine schematische Darstellung der Vorrichtung zeigt.

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An. dem Schweißbrenner befindet sich ein an sich bekanntes Sensorsystem zur Brennerpositionierung in der zu verschweißenden Nahtkehle. Diese Baugruppen sind in Schweißrichtung gesehen vor dem Brenner oder seitlich von diesem starr angeordnet, Das System zur Erfassung der Schweißnahtbreite ist hinter dem Brenner vorgesehen. Ss besteht aus drei Empfangereinheiten, die auf eine Linie senkrecht zur Schweißrichtung ausgerichtet sind. Zwei Empfänger erfassen je einen Meßpunkt auf der Mittenachse der Schweißnaht und auf dem Yierkstück neben der Naht. In diesem Fall bestehen die Empfänger aus an sich bekannten Rohrblenden, von denen die aufgenommene elektromagnetische Strahlung über Lichtleitkabel auf zwei optoelektronische Bauelemente übertragen wird. Das dritte Empfangersystem erfaßt ein lang gestrecktes Gebiet, welches senkrecht zur Naht ausgerichtet ist. Dieses Gebiet, vorzugsweise ein Rechteck, enthält auch den Meßpunkt von der Nahtmitte und ist so breit, daß neben der Schweißnaht in federn Fall auch Anteile des T/erkstückes ausgewertet werden. Zur Ausblendung eines rechteckigen Gebietes wird eine Schlitzblende benutzt, für die ein Lichtleitkabel angepaßt ist. Dieses Lichtleitkabel überträgt die elektromagnetische Strahlung bei gleichzeitiger Querschnittswandlung auf ein drittes optoelektronisches Bauelement der gleichen Asuführung. Die Auswertung der drei elektrischen Signale kann mit bekannten Schaltungen analog oder digital erfolgen (Datenvorverdichtung), aber auch von einem Steuerrechner mit ausgeführt werden.

Claims

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Erfindungsanspruch

Vorrichtung zur Erfassung von schutzgasgeschweißten Kehlnahthöhen zur Steuerung der Schweißparameter unter Zurückführung der Kehlnahthöhenbestimmung auf eine Breitenmessung einer symmetrisch geschweißten Kehlnaht, gekennzeichnet dadurch , daß drei unabhängige optische Empfängersysteme direkt in Schweißrichtung hinter dem Schweißbrenner angeordnet und derart auf die erstarrende Schmelze und/oder auf die sich bildende Schweißnaht gerichtet sind, daß von dem einen Empfängersystem ein Meßpunkt (1) auf der Nahtmittenachse, der in jedem Fall kleiner als die Nahtbreite ist und von dem zweiten Empfangersystem ein vorzugsweise langgestrecktes Gebiet (2), welches in jedem Fall größer als die Nahtbreite ist und den Meßpunkt (1) enthält und quer zur Schweißrichtung liegt sowie vom dritten Empfängersystem ein Meßpunkt (3) neben der Schweißnaht erfaßt werden, und daß die elektrischen Ausgangssignale I*; I₂ und I^ dieser Smpfängersysteme einer Auswerteschaltung aufgeschaltet werden, die die mathematische Beziehung

b = (I₅ - const · I~) (I₁ - L·)

realisiert, wobei die Konstante dem Quotienten aus der Länge des Gebietes (2) und dem Durchmesser der Meßpunkte (1j 3) entspricht.
2. Vorrichtung zur Erfassung von schutzgasgeschweißten Kehlnahthöhen zur Steuerung der Schweißparameter nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch , daß die .elektrischen Ausgangssignale (I₁) und (I₂) dieser Empfängersysteme einer Divisionsschaltung zur Gewinnung eines der

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Nahtbreite proportionalen nichtlinearen Nutzsignals aufgeschaltet sind.
3. Vorrichtung zur Erfassung von schutz gasgeschv/eißt en Kehlnahthöhen zur Steuerung der Schweißparameter nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch , daß die drei Smp fänger sy steine aus querschnittswandelnden Lichtleitkabeln "bestehen.

- Hierzu ein Blatt Zeichnung««. -