DD157398A3

DD157398A3 - METHOD FOR EVALUATING THERMAL RADIATION EMITTED FROM THE CUTTING EDGE OR WELDING SEAM

Info

Publication number: DD157398A3
Application number: DD22826281A
Authority: DD
Inventors: Norbert Meyendorf; Rudolf Nitzsche
Original assignee: Norbert Meyendorf; Rudolf Nitzsche
Priority date: 1981-03-13
Filing date: 1981-03-13
Publication date: 1982-11-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswerten der von der Schneidkante oder Schweissnaht emittierten Waermestrahlung zum Steuern des Schneid- und Schweissprozesses mit dem Ziel, beim automatischen Schneiden oder Schweissen optimale Gefuegeeigenschaften im Bereich der Schweissnaht oder Schnittkante zu erzielen. Die Aufgabe, waehrend des thermischen Prozesses das gesamte Temperaturfeld zu erfassen und aus den gewonnenen Signalen den Prozess zu steuern, wurde geloest, indem die von der Schweissnaht und Schneidkante emittierte Waermestrahlung mittels einer Thermovisionsanlage und einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung analysiert und die gewonnenen Signale zur Steuerung und Regelung des Prozesses verwendet werden. Durch entsprechende Stelleinheiten am Steuergeraet werden den Farbsignalen bestimmte Temperaturbereiche zugeordnet und durch Soll-Ist-Vergleiche mit vorgegebenen Werten Abweichungen festgestellt und durch Korrektur die Unregelmaessigkeiten abgestellt, um optimale mechanische Eigenschaften der Schweissverbindung zu erreichen.The invention relates to a method for evaluating the heat radiation emitted by the cutting edge or weld seam for controlling the cutting and welding process with the aim of achieving optimum structural properties in the area of the weld seam or cut edge during automatic cutting or welding. The task of detecting the entire temperature field during the thermal process and controlling the process from the obtained signals was solved by analyzing the heat radiation emitted by the weld seam and the cutting edge by means of a thermovision system and a downstream evaluation device and the signals obtained for control and regulation used in the process. By means of appropriate control units on the control unit, the color signals are assigned to specific temperature ranges and deviations are determined by setpoint-actual comparisons with predefined values and the irregularities are corrected by correction in order to achieve optimum mechanical properties of the welded connection.

Description

Verfahren zum Jjuswerten der von der Schneidkante oder Schweißnaht emittierten WärmestrahlungMethod for evaluating the heat radiation emitted by the cutting edge or weld

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswerten der von der Schneidkante oder Schweißnaht emittierten Wärmestrahlung zum Steuern des Schneid- und Schweißprozesses bei Be-* Stimmung eines thermischen Zyklus zur optimalen Gefügeausbildungj die Rückschlüsse auf die mechanische Ausbildung der Schweißverbindung oder der Schneidkanten zuläßt»The invention relates to a method for evaluating the heat radiation emitted by the cutting edge or weld seam for controlling the cutting and welding process when * tuning a thermal cycle for optimal microstructure formationj which allows conclusions to be drawn about the mechanical formation of the welded joint or cutting edges »

•«° 2.• «2.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt j daß Schßielzsohweißnähte im allgemeinen erst nach deren Fertigstellung auf Güte und lage der Schweißnaht sov/ie auf eventuelle Fehler, wie. z« Be größere !Poren und undicht verschweißte' Stellen überprüft werderu Die Prüfung kann visuell oder mittels !Röntgenstrahlen, Ultraschall oder dergleichen erfolgen«, Zur Fehlerbeseitigung ist oft eine umfangreiche Nacharbeit erforderlich«, Bekannt ist auch_s daß aus der Messung des Zeitintervalle, in dem die Temperatur des Schweißgutes einen bestimmten Bereich durchläuft,'beispielsweise 800 ⁰C bis 500 ⁰C, Rückschlüsse auf das sich bildende Gefüge und damit im Zusammenhang stehende mechanische Eigenschaften gesogen werden können» Die Abkühlzeitmessung wird konventionell mit Thermoelementen und Zeitregistrierung ausgeführt© Die Methode hat die Nachteile, daß keine kontinuierliche Messung und keine Anwendung in der Fertigung möglich ist« Durch Einschmelzen der Elemente wird eine kommerzielle Steuerung des Schweißprozesses nicht möglich» Zur Bestimmung der Schweißparameter sind aufwendige Voruntersuchungen notwendige Thermoelemente sind zur Anordnung in der Schiiielise selbst nicht geeignet ο Sie stören den Schweißprozeß und beeinflussen das Temperaturfeld·. 33s wurde auch bereits versucht, das Abkühlintervall aus den gegebenen Schweißparametern und Sohweißbedingungen rechnerisch zu erfassen«, Da es nicht möglich ist, die Komplexität des Sohweißprozesses auf diesem Weg aufgrund der Vielfalt und Zusammenhänge aller liandbedingungen zu erfassen, ist diese Methode an .zahlreiche vereinfachende iyinalxmen oder/ und empirische Anpassungen -gebunden«. Diese können imIt is known that Schssielzsohweißnähte generally after their completion on quality and position of the weld so / ie on any errors such. z "Be more! pores and leaks' bodies welded checked werderu The test can visually or by! x-rays, ultrasound or similar have been," To debug an extensive reworking is often required, "is also known _s that from the measurement of time intervals in the temperature of the weld metal passes through a certain range, 'for example, 800 ⁰ C to 500 ⁰ C, conclusions on the forming structure and related mechanical properties can be sucked »The cooling time measurement is carried out conventionally with thermocouples and time registration © The method has the disadvantages that no continuous measurement and no application in the production is possible "By melting the elements, a commercial control of the welding process is not possible." To determine the welding parameters are complex preliminary investigations necessary thermocouples are to be arranged in the Not suitable for itself ο They disturb the welding process and influence the temperature field ·. It has also been attempted to computationally capture the cooling interval from the given welding parameters and sooting conditions. "Since it is not possible to grasp the complexity of the sooting process in this way because of the diversity and interrelations of all conditions, this method is a number of simplifying iyinal terms or / and empirical adjustments-bound «. These can be in

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konkreten Anwendungsfall zu beträchtlichen Fehlern führen» Es ist ebenfalls bekannt ₉ die Schmelzschweißung pyrometrisch zu überviachen« -perform specific application in significant errors "It is also known to ₉ überviachen the fusion welding pyrometer" -

Dabei kann aber nur eine lokale Messung durchgeführt werden,, Soll eine Teil- oder !Bildabtastung erfolgen, ist eine aufwendige mechanische Ablenkeinrichtung nötig, Durch die Trägheit des mechanischen Ablenksystems ist die Arbeitsfrequenz gering und begrenzt» Der Anwendungsbereich dieser Methode ist auf Fälle beschränkt, bei denen ein Ktnkt oder eine Zeile abgetastet werden muß« Zum Schutz der Optik muß eine ausreichende Entfernung eingehalten werden« Dadurch wird die betrachtete Fläche bei den Visierkennwerten üblicher Pyrometer entsprechend groß, und damit ist das Auflösungsvermögen begrenzt* Das Pyrometer muß mit dem Brenner exakt mitgeführt werden, um immer dieselbe Position zum Wärmefeld beizubehalten* Be- ' kannt ist auch, daß beim Verschweißen von Werkstücken gleicher Zusammensetzung ein unterschiedliches Medium in den Bereich der wurzelseitigen Schweißzone eingebracht, die Spektrallinien zumindest eines als Indikator gewählten Elementes dieses Mediums abgesondert und an Hand der Helligkeitsänderung der betreffenden Spektrallinien der Schweiß-Vorgang durch Minderung der Schweißbedingungen geregelt wird*However, only a local measurement can be carried out. If a partial or image scanning is required, a complex mechanical deflection device is necessary. Due to the inertia of the mechanical deflection system, the working frequency is low and limited. The scope of this method is limited to cases where a point or a line must be scanned "A sufficient distance must be maintained to protect the optics." This makes the area under consideration relatively large for the visor characteristics of conventional pyrometers. The resolution is therefore limited. * The pyrometer must be carried exactly with the burner In order to always maintain the same position to the heat field * It is also known that when welding workpieces of the same composition, a different medium introduced into the region of the root-side weld zone, the spectral lines at least one selected as an indicator element of this medium abg Separates and regulates the welding process by reducing the welding conditions on the basis of the change in brightness of the relevant spectral lines *

Bs sind nach DS-AS 12 84 659 und DE-AS 27 51 643 sowie nach der SU-PS 567 564 Lösungen bekannt, die Isothermen eines Bereiches der Schweißzone zu erfassen, welche durch Augenschein ausgewertet oder durch elektronischen Vergleich mit einem Isothermenmuster ein manuelles Nachsteuern eines Schweißvorganges ermöglichen* Nach DB-OS 29 02 643 werden charakteristische Informationen eines Schmelzbades durch die Erfassung des abgestrahlten Lichtes in zwei Wellenlängenbereichen undBs are known according to DS-AS 12 84 659 and DE-AS 27 51 643 and according to the SU-PS 567 564 solutions to detect the isotherms of a region of the weld zone, which evaluated by visual inspection or by electronic comparison with an isothermal pattern, a manual Nachsteuern allow a welding process * According to DB-OS 29 02 643 characteristic information of a molten bath by the detection of the radiated light in two wavelength ranges and

Vergleich mit Sollwerten erfaßt und eine Soll--°Istwertregelung derart nachgeschaltet _t welche die wichtigsten Schweiß* parameter nachzuregeIn gestattet« Der wesentliche Nachteil dieser auf optische Hegelgrößen zurückgreifenden Regel-» mechanismen besteht darin _s -daß die Regelsignalgewinnung nur grobe Abweichungen rom Sollwert zu erfassen vermag_s so daß eine entscheidende Einflußnahme auf die qualitätsbestimmende G-efüge&usbildung der Schweißnaht nicht au' erzielenCompared with target values detected and a Soll-- ° Istwertregelung downstream of such _t that the main welding * parameter nachzuregeIn allows "The main disadvantage of this that refers to the optical Hegel sizes control" mechanisms is _s -that the control signal acquisition can grasp rom setpoint only gross deviations _s so that a decisive influence on the quality-determining G-efüge & usbildung the weld not au 'achieve

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es ist Ziel (Ie₁X Erfindung, durch Auswertung der von einer Schneidkante oder Schweißnaht ausgehenden Wärmestrahlung _s insbesondere beim automatischen Schweißen und Schneiden optimale Gefügeeigenschaften im Bereich der Schweißnaht oder Schnittkante zu erzielen«It is an object ₍₁ X Ie invention to achieve by evaluating the outgoing of a cutting edge or weld heat radiation _s particularly in automatic welding and cutting optimal structural properties in the region of the weld or cut edge "

Das Wesen der ErfindungThe essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde_s ein Verfahren zum Auswerten der von der Schneidkante oder Schweißnaht emittierten Wärmestrahlung zu ermitteln_? das es gestattet^ während des Schweiß« oder Scaneidprozesses kontinuierlich das gesamte Temperaturfeld unter Ausschaltung- der Fremdstrahlung zu erfassen,* daraus Rückschlüsse auf die GüteThe object underlying the invention is to determine _s a method for evaluating the light emitted from the cutting edge or weld heat _radiation? which allows the entire temperature field to be continuously detected during the sweat or scan process, with the external radiation being eliminated, and from this conclusions can be drawn about the quality

und. Fehlerfreiheit der Schweißverbindung und Schneidkante ' zu ziehen und bei erkannten Abweichungen von Vorgabewerten den Prozeß zu steuern« /.and. To ensure that the weld joint and cutting edge are free from defects and to control the process if deviations from standard values are detected.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die von der Schweißnaht emittierte Wärmestrahlung mittels einer ThermoVisionsanlage und einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung analysiert und die gewonnenen Signale zur Steuerung und Regelung des Schweiß«= und Sehneidprozesses bzw«, der !Parameter verwendet werden« Durch entsprechende Stelleinheiten am Steuergerät werden den FärbSignalen bestimmte Temperaturbereiche zugeordnet« line Fernsehkamera mit einem vor deren Optik angeordneten Schmalbandfilter wird so posi·=» tioniertj daß das gesamte \?ärmeield_? das durch den Schweiß— lichtbogen bzw_e die Schneidflamme' entsteht, erfaßt wirde Die beispielsweise beim CCy-Schweißen einer Kehlnaht auftretenden Unregelmäßigkeitenj hervorgerufen z_e Bo durch Veränderung des Schweißspaltes oder änderung des Düsenabstandes« verlangen eine Korrektur der Schweißparameter Die Unregelmäßigkeiten zeigen sich durch Veränderung des Wärmefeldes und werden von der Fernsehkamera aufgenommen und über ein Betriebsgerät dem Farbumsetzer zugeführt© Die Strahlung des brennenden Licht™ bogens stört bei geeigneter Wahl des Filters die Wiedergabe des Temperaturfeldes nicht« Durch Vorversuche wird ein ο ρ ti/-males Wärmefeld, d» h* Fläche und Länge eines Temperaturbereiches, vorbestimrat» Das aus dem Farbumsetzer.entnommene und durch eine Torschaltung klassifizierte Signal d^or gewählten Farbe- dient über Impulshöhenkonverter und Addierer zum Vermessen der Länge des entsprechenden Temperaturbereiches entlang einer Bildzeile und der Vermessung der Fläche des Färmefeldes« Abweichungen zu den vorgewählten Größen führen über einen Soll-Ist-Vergleich zur Nachregelung der Schweißparameter*-Die überwachung des Schweißprozesses ist auf einem Monitor auch über größere Entfernungen möglich« Eine bestimmte Farbe, die einem Temperaturbereich zwischenAccording to the invention, the object is achieved in that the heat radiation emitted by the weld seam is analyzed by means of a thermo-vision system and a downstream evaluation device and the signals obtained are used to control and regulate the welding process and the "parameters" by corresponding setting units on the control device the color signals are assigned to certain temperature ranges. "Line television camera with a narrowband filter placed in front of its optics is positioned so that the entire energy field _? Wirde the arc through the welding or _e the cutting flame 'arises, detects the Unregelmäßigkeitenj occurring for example during CCy welding of a fillet weld caused z _e Bo by changing the welding gap or change in the nozzle spacing "require a correction of the welding parameters, the irregularities reveal themselves by varying the Heat field and are picked up by the television camera and fed to the color converter via an operating device © The radiation of the burning light arc does not interfere with the reproduction of the temperature field if the filter is suitably selected "Pre-tests produce a ο ρ ti / -mal heat field, ie h * Area and length of a temperature range, pre-defined »The color dithered signal selected from the color converter and classified by a gate circuit is used via the pulse height converter and adder to measure the length of the corresponding temperature range along a picture line and the V measuring the area of the färefeldes «Deviations from the preselected sizes lead to a nominal-actual comparison for the readjustment of the welding parameters * -The monitoring of the welding process is possible on a monitor even over longer distances« A certain color, the a temperature range between

zwei Isothermen entspricht, läßt sich herausselektieren,» Der ImpulshöhenkonYerter liefert eine zur !»steuerzeit pro·» '.portionale Ausgangsspannung, die ein Maß ist für die auf dem Monitor wiedergegebene Strecke entlang einer Zeile» Durch den nachgesοhalteten Addierer wird die Summe aller Impulshöhen'in- einem -vorzuwählenden Zeilenbereich gebildet, so daß wir eine au der auf dem Monitor wiedergegebenen Fläche der gewählten Farbe proportionale Spannungsgröße erhalten« Durch einen Zeilenselektor wird die Addition ent-» weder entlang einer Zeile oder über einen bestimmten Zeilenbereich ausgeführt® Das Ergebnis kann bis zur nächsten Bildabtastung zwischengespeichert werden und steht ebenfalls für eine weitere Auswertung oder/und 'einen Soll-Ist-Vergleich zur Torf !Igung«» Durch Ziachregelung dex Schweißparameter kann ein gewünschtes Temperaturfeld eingestellt werden», Das Auflösungsvermögen ist τοη der Bildfrequenz der FS-Aufnahmeanlage abhängig»-Uie Ausdehnung des Tem*- peraturfeldes ist γοη den Schweißparametern abhängig« Die Auswertung des für die Gefügeausbildung kritischen iCempe·» raturbereiches erfolgt mittels -zweier Isothermen» die jeweils die obere und untere Grenze angeben ₀ Sie Temperaturschwelleneinstellung der einzelnen Isothermen wird am Steuergerät für den jeweiligen Temperaturbereich vorgewählte Das Auswertegerät ermittelt aus der Fläche der den kritischen Temperaturbereich begrenzenden Isothermen in Verbindung mit der Schweißgeschwindigkeit die Abkühldauer, Aus dieser wiederum sind Rückschlüsse für die Gefügeaus« bildung zu ziehen« Es ist auch möglich, eine bestimmte erforderliche Abkühl dauer vorzugeben und/oder einzuregeln«, Durch das Messen und Steuern während des Schweißprozesses werden die nach bekannten Verfahren üblichen und umfangreichen Nacharbeiten zur Fehlerbeseitigung vermieden und optimale mechanische Eigenschaften' der'Schweißverbindungis equal to two isotherms, can be selected out, "The pulse height controller provides a control time for a proportional output voltage which is a measure of the distance displayed on the monitor along a line." The resident adder adds up the sum of all pulse heights. " in a row area to be preselected, so that we obtain a voltage magnitude proportional to the area of the selected color reproduced on the monitor. "A line selector performs the addition either along a line or over a certain line range for the next image scan and is also for a further evaluation and / or 'a target-actual comparison to Peat! Igung «Ziachregelung dex welding parameters, a desired temperature field can be set», The resolution is τοη the frame rate of FS recording system dependent "-Uie Expansion of the temperature field depends on the welding parameters γοη "The evaluation of the critical temperature range for the microstructure is carried out by means of two isotherms" which specify the upper and lower limits. _{0 The} temperature threshold setting of the individual isotherms is displayed on the control unit for the respective temperature range preselected The evaluation unit determines from the area of the isotherm bounding the critical temperature range in connection with the welding speed the cooling time, from which in turn conclusions for the structure of the structure must be drawn. It is also possible to specify and / or regulate a certain required cooling duration. By measuring and controlling during the welding process, the customary and extensive reworking for troubleshooting according to known methods is avoided and optimum mechanical properties of the welded connection are avoided

gewährleistet« Das vorgeschlagene Verfahren kann auch "beim Vorwärmen eines zu schweißenden Werkstückes durch eine vorlaufende Yförinequelle Anwendung finden ₉ indem der richtige Abstand der vorlaufenden Wärmequelle zum Schweißbrenner eingestellt oder eingeregelt wird$ so daß zum Zeitpunkt des Schweißens die erforderliche Vorwärmtemperatur vorliegte Bei der Mehrdrahtschweißung kann der Abstand zwischen den einzelnen Köpfen optimiert werden«."The proposed method can also be applied to the preheating of a workpiece to be welded by a leading Yförinequelle ₉ by the correct distance of the leading heat source to the welding torch adjusted or adjusted so that at the time of welding the required preheating temperature was present in the multi-wire welding Distance between individual heads can be optimized «.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden« Xn der dazugehörigen Zeichnung zeigt.The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment "Xn the accompanying drawings shows.

die Fig« i: eine Anordnung zur Abbildung eines Figs «i: an arrangement for imaging a

Teraperaturfeldes mit nachzuschaltender elektronischer Anordnung«Teraperaturfeldes with nachzuschaltender electronic arrangement «

Das Verfahren soll an dem Beispiel einer Kehlnahtschweißung beschrieben werden» In äcrfi'^, ist eine Fernsehkamera 1 mit einer Optik 2 und einem davor angeordneten Schmalbandfilter 3 gezeigt«, Als Schmalbandfilter 3 im bevorzugten Wellenlängenbereieh zwischen 1000 und 1200 mm fand ein Zeiss-Metallinterfrequenzfilter mit 1100 mm Verwendung« Die Fernsehkamera 1 wird so positioniert_? daß das gesamte Wärmefeld 4s das durch den Schweißlichtbogen 15 der Schweißanlage 16 entsteht j erfaßt wird» Die beim CO^-Schweißen der Kehlnaht 5 auftretenden Unregelmäßigkeiten 6 zeigen sich durch Veränderung des Wärmefeldes 4 und/erfordernThe method shall be described by the example of a fillet weld. In FIG. 1, a television camera 1 with an optical system 2 and a narrowband filter 3 arranged in front of it is shown. As narrowband filter 3 in the preferred wavelength range between 1000 and 1200 mm, a Zeiss metal inter-frequency filter was included 1100 mm Use «TV camera 1 is positioned like this _? that the entire heat field 4s is formed by the welding arc 15 of the welding system 16 is detected j »The occurring during CO ^ welding the fillet 5 irregularities 6 show up by changing the heat field 4 and / require

eine Korrektur der Schweißparameter* Ton der Fernsehkamera 1 werden diese Veränderungen aufgenommen und über das Betriebsgerät 7 dem Farbumsetzer 8 augeführt© Durch Torversuche'wurde ein optimales Wärmefeld 4 bestimmt© Bas aus dem Farbumsefrzer 8-gewonnene und durch eine Torschaltung 14 klassifizierte Signal der gewählten Farbe steuert einen Impulshöhenkonverter 9 an«,'Dieser liefert eine zur Atisteuerzeit proportionale Ausgangsspannungβ Die Spannung ist ein Maß für die auf dem Monitor 12 wiedergegebene Strecke entlang einer Zeile* Durch den .Addierer 10 wird die Summe aller Impulshöhen in einem vorzuwählenden Zeilenbereich gebildet,und man erhält eine au der/auf dem Monitor 12 wiedergegebenen. Fläohe.der gewölbten Farbe proportionale Spannungsgröße« Durch den Zeilenselektor 13 wird die Addition entlang einer Zeile oder über einen, bestimmten Zeilenbereich ausgeführt« Abweichungen zu den vorgewählten Größen führen über einen Soll-Ist-Vergleich 11 zur Nachregelung der Schweißparameter* Das Ec** gebnis wird bis zur nächsten Bildabtastung gespeichert und steht für eine weitere Auswertung bzw* einen Soll-Ist-Vergleich 11 zur Verfügung© Die Einstellung der Tempe·** ra tür schwelle der einzelnen Isothermen wird am 'Farbum*- setzer 8 für den jeweiligen Temperaturbereich vorgewählte Durch Nachregelung der Schweißparameter in der Schweißen-* lage 16 wird das gewünschte Temperaturfeld eingestelltea correction of the welding parameters * tone of the television camera 1, these changes are recorded and executed via the operating device 7 to the color converter 8 © by Torversuche'wurde an optimal heat field 4 © Bas from the Farbumsefrzer 8-won and classified by a gate 14 signal of the selected color controls a pulse height converter 9 ", which provides an output voltage β proportional to the AT control time. The voltage is a measure of the distance along a line reproduced on the monitor 12. The adder 10 forms the sum of all the pulse heights in a preselected line area and receives an au on / on the monitor 12 reproduced. Fluxes proportional to the curved color "The addition along a line or over a specific line range is carried out by the line selector 13" Deviations from the preselected variables result from a nominal / actual comparison 11 for the adjustment of the welding parameters * The result is stored until the next image scan and is available for a further evaluation or a target / actual comparison 11. The adjustment of the maximum threshold of the individual isotherms is preselected at the color changer 8 for the respective temperature range By adjusting the welding parameters in the welding position 16, the desired temperature field is set

Claims

Pat en tan spru c h

Method for evaluating the heat radiation emitted by the cutting edge or weld seam by means of a television camera and control unit and color converter / existing thermo-vision system and a subsequent evaluation device with nominal-actual comparison of the signals for controlling the cutting and soaking process, characterized in that the signal formed in the Farbumseteer and in a [gate circuit classified signal is fed to a pulse height converter _s provides an insteuerzeit proportional output voltage and that are formed in a downstream adder from the heat field by height and number characterizing pulses sum of all pulse heights in vorzuwählenden Zeilenbexeich ^ with which the target * actual comparison is performed de

Documents considered:

DE-AS 1284659 (42 i, 8/60)

DE-OS 2751643 (B 23 K, 11/24)

DE-OS 2902643 (B 23 K, 9/10)

SU-PS 567564 (B 23 K, 9/10)

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