DD206827A1 - Verfahren zum messen und regeln von schweissvorgaengen - Google Patents

Abstract

DIE ERFINDUNG DIENT ZUR UEBERWACHUNG UND STEUERUNG VON WIDERSTANDSPRESSSCHWEISSVORGAENGEN, INSBESONDERE VON ABBRENNSTUMPFSCHWEISSVORGAENGEN MIT DEM ZIEL, BEREIT VON ERWAERMUNGSBEGINN AN DIE AUFTRETENDEN ERWAERMUNGSGROESSEN ZU ERFASSEN UND AUSZUWERTEN. ERFINDUNGSGEMAESS WERDEN DIE DURCH LONGITUDINALWELLEN GEKENNZEICHNETEN SCHALLFELDER DER ELEKTROMECHANISCHEN ODER ELEKTROAKUSTISCHEN WANDLER SO GESTALTET, DASS SIE SICH IN EINEM DEFINERTEN BEREICH DER FUEGETEILE UEBERLAGERN. DER ZEITLICHE VERLAUF DER DURCH DEN SCHWEISSSTOSS DURCHGELASSENEN ULTRASCHALL-AMPLITUDE WIRD REGISTRIERT, EIN ELEKTRISCHES AEQUIVALENZSIGNAL ERZEUGT UND DIESES EINER E;EKTRONISCHEN VERGLEICHSSCHALTUNG ZUM SOLL-IST-VERGLEICH ZUGEFUEHRT. IN BEKANNTER WEISE WIRD BEI UEBER- BZW. UNTERSCHREITUNG EINSTELLBARER GRENZWERTE EIN REGELSIGNAL ERZEUGT, WELCHES DIE EINGESTELLTEN SCHWEISSPARAMETER AN DER SCHWEISSMASCHINE VERAENDERT. ANWENDUNG FINDET DIESE ERFINDUNGSGEMAESSE LOESUNG IM SCHWERMASCHINENBAU UND IM CHEMIEANLAGENBAU.

Description

Verfahren zum Messen und Hegeln von Schweißvorgängen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren auf der Basis von Ultraschall im· Frequenzbereich von 20 kHz bis 10 GHz, vorzugsweise im Bereich von 20 kHz bis 24 MHz, das geeignet ist, die während der Erwärmung in mechanischem Kontakt befindlichen Berührungsflächen der zu verbindenden Schweißteile nach ihrer Größe und zeitlichen Kontaktdauer meßtechnisch zu erfassen und gleichzeitig durch die Veränderung der Schallschwächung Rückschlüsse auf die Höhe der Temperatur der Fügeflächen zuläßt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß die elektrischen Größen Schweißstrom., Schweißspannung und die mechanischen Größen wie Vorwärm-, Abbrenn- und Stauchwege oszillografisch gemessen werden können (DD-W? 126 322; BE-OS 2127988).

Bekannt ist auch die Regelung von Abbrennstumpfschweißmaschinen - Umschaltung von der Vorwärmphase zur Abbrennphase sowie Einleitung des Stauchschlages nach entsprechend eingebrachter elektrischer Gesamtleistung (DE-OS 2 620 364; DD-WP 64 112).

Diese Verfahren weisen den Nachteil auf, daß Spannung

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und Ström meist primärseitig am Transformator der Schweißmaschine gemessen werden und keine direkten Aussagen über die Fügeflächenstruktur und Fügeflächenerwärmung vor dem Stauchen ermöglichen. Da insbesondere die Messung der sekundärseitig im Schweißteilfügebereich anliegenden elektrischen Spannung nicht erfolgt, ist keine esakte Erfassung der für den Schweißvorgang notwendigen Srwärmungsgrößen (Srwärmungsleistung) und der Ebenheit der Fügeteilflächen möglich. Dies führt dazu, daß trotz gleicher Einstelle werte der Schweißmaschinen unterschiedliche Ausgangsgrößen (ungleiche Erwärmung, Kraterbildung in den Fügeflächen) vor dem Stauchen vorliegen, die zu stark schwankenden Schweißnahtgutewerten führen.

Bekannt geworden sind auch Ergebnisse der Messung und Auswertung der beim Schweißvorgang auftretenden Schallemissionen (DE-AS 2 227 527). Die Auswertung dieser Meßdaten.wird durch Überlagerung der insbesondere beim Widerstandsabbxennstumpfschweißen auftretenden Nebengeräusche der Schalt- und Steuereinrichtungen der Schweißmaschine erschwert und statistisch verfälscht. Insbesondere aber hat diese Meßmethode den Nachteil, daß die durch das Schweißen entstehenden Schallereignisse (Zerknall der Kontaktbrücken, Funkensprühen beim Abbrennen) nur die aus dem Schweißprozeß frei werdenden Energien (Verlustenergien) darstellen und nicht die für die Erwärmung erforderliche Wirkenergie meßtechnisch erfassen.

Seit langem bekannt ist die Prüfung von geschmiedeten, gegossenen oder geschweißten Werkstoffen mit Ultraschall (H. u. J. Krautkrämer: "Werkstoffprüfung mit Ultraschall"). Hierbei werden in einem an sich homogenen Werkstoff örtlich auftretende Ungänzen bzw.

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Fehler meßtechnisch erfaßt und ausgewertet.Durch Anfertigung spezieller Ultraschallprüfköpfe und Einbau derselben in die Elektroden von Widerstandspunktschweißmaschinen (DE-AS 2 655 415) ist es daher möglich, während des Schweißvorganges bzw. unmittelbar nach Beendigung des Schweißvorganges Aussagen über die Größe der Schweißlinse und damit über die Qualität der Schweißung zu machen. Ebenfalls werden Angaben über das Erwärmungsverhalten (Phasenübergang fest-flüssig) erhalten. Eine Messung der Oberflächenbeschaffenheit vor dem Zusammenstauchen ist jedoch nicht möglich, so daß ungünstige Ausgangswerte,, die zu fehlerhaften Schweißungen führen, nicht erkannt werden können und eine entsprechende Korrektur der Maschineneinstellwerte während des Schweißprozesses nicht vorgenommen werden kann. Es kann nur zum Abschluß der Schweißung die Qualität eingeschätzt werden.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, beim Widerstandsstumpfschweißen, insbesondere beim Abbrennstumpfschweißen, bereits von Erwärmungsbeginn an die auftretenden Erwärmungsgrößen und Veränderungen der zu verbindenden Fügeflächen zerstörungsfrei und in Echtzeit zu erfassen, elektronisch auszuwerten und nach einem Soll-Ist-Vergleich über einen Regelmechanismus auftretende Abweichungen durch STachregeln der Maschineneinstellwerte zu korrigieren.

Das Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Schweißsteuersystem zu schaffen, das Information über den Verlauf des Schweißvorganges

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bezüglich des lemperaturverhaltens der Fügeflächen, der Größe der Kontaktflächen, der Ebenheit der Fügeflächen liefert und mit denen der übergang von der Vorwärmphase zur Abbrennphase bzw. von der Abbrennphase zum Stauchen zeitlich gesteuert werden.

Erfindungsgemäß werden die durch Longitudinalwellen gekennzeichneten Schallfelder der elektromechanischen oder elektroakustischen Wandler so gesteuert, daß sie sich in einem definierten Bereich der Fügeteile überlagern. Der zeitliche Verlauf der durch den Schweißstoß durchgelassenen Schallamplitude wird registriert, ein elektrisches Äquivalenzsignal wird erzeugt und dieses Äquivalenzsignal wird einer elektronischen Vergleichsschaltung zum Soll-Ist-Vergleich zugeführt. Des weiteren wird in bekannter Weise bei Über- bzw. Unterschreitung einstellbarer Grenzwerte ein Regelsignal erzeugt, welches die eingestellten Schweißparameter an der Schweißmaschine verändert.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand des Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Dabei zeigt Fig. 1 : Anordnung von Winkelprüfköpfen

als Wandler an die Seitenflächen

der Fügeteile Fig. 2: üS-Amplitude/Zeit-Diagramm

mit Soll-Kurve

lach Fig. 1 werden Longitudinalwellen mit einer definierten Frequenz und einer bestimmten Ultraschallintensität in die von Spannbacken 2 gehaltenen Fügeteile 1 eingeleitet. Nach dem Passieren der Schweißstelle werden diese Longitudinalwellen wieder empfangen und einem Ultraschall-Materialprüfgerät 5 züge-

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leitet, wo ihre Ultraschall-Restamplitude registriert wird. JJie Longitudinalwellen pflanzen sich im Fügeteil 1 unter definierten Bedingungen bis zur Schweißstelle fort. Auf Grund der unterschiedlichen übergangsverhältnisse (Ebenheit) wird nur ein bestimmter Teil der Ultraschall-Amplitude in das weitere Fügeteil 1 übertragen. Der zeitliche Verlauf wird mit einem Schreiber 6 aufgenommen. Als elektromechanische oder elektroakustische Wandler 3; 4, also Ultraschallsender 3 und Ultraschallempfänger 4, können normal- oder Winkelprüfköpfe an die Fügeteile 1 angekoppelt werden. Das Ultraschall-Materialprüfgerät 5 aiuß einen Monitor aufweisen, mit dem das Nutzsignal aus den Störanzeigen, welche durch Rand- und Gefügeeffekte entstehen, ausgeblendet werden kann. Die Longitudinalwellen können nur den Ultraschallempfänger 4 erreichen, wenn sich die Stoßflächen der Fügeteile 1 berühren oder sich flüssige Kontaktbrücken gebildet haben. Die durch die Stoßflächen der Fügeteile 1 hindurchgegangene Ultraschall-Amplitude hängt in der Hauptsache von der Größe der Kontaktflächen und deren Temperatur ab. Dadurch ist es über die Messung der Ultraschall-Amplitude möglich, Informationen über die Rauhigkeit der Stoßflächen der Fügeteile und deren Temperatur und damit über die zu erwartende Schweißnahtgute während des Schweißvorganges zu erhalten. Durch elektronischen Vergleich 7 der erhaltenen Ist-Kurve mit einer festgelegten Soll-Kurve (Fig. 2) werden Abweichungen festgestellt und die entsprechenden Schweißparameter geregelt. Durch einen Vergleich zwischen der hergestellten Ist-Kurve und einer vorgegebenen Soll-Kurve können die Einstellgrößen an der Schweißmaschine 8 korrigiert werden. Es ist auch möglich, ausgehend von den variierenden

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Bedingungen bei jeder Schweißung, den konkreten Zeitpunkt für die Einleitung der Abbrennphase bzw. des Stauchschlages zu bestimmen bzw. zu steuern. Die im Verlauf des Schweißvorganges ansteigende Temperatur wirkt sich schwächend auf die -Longitudinalwellen aus,

Hierbei ist von besonderem Vorteil, daß der verwendete hochfrequente Ultraschall weder durch die beim Widerstandsschweißen auftretenden elektrischen und magnetischen Felder beeinflußt noch verfälscht wird und die Meßwerte direkt von den zu verbindenden Fügeflächen erhalten werden.

Sin weiterer Vorteil ist dadurch gegeben, daß Änderungen der Werkstoffmodifikation, insbesondere der Übergang von der festen zur flüssigen Werkstoffphase, starke Unterschiede in der SchallSchwächung hervorrufen und so meßtechnisch gut genutzt werden können,

Nebengeräusche aus dem Arbeiten der Schweißmaschine und ihrer Hilfseinrichtungen sowie aus dem die Schweißmaschine- umgebenden Arbeitsraumes wirken sich in keiner Weise störend auf den Meßvorgang aus.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäß entwickelten Meßverfahrens mit Ultraschall besteht darin, daß hierbei die Ist-Kontaktzeiten beim Vorwärmen, die Ausbildung der Fügeflächenebenheit und die Größe der Kontaktflächen gemessen werden, die für den Wirkeintrag der Schweißenergie entscheidend sind und Verlustenergien (durch Spritzer, Metallverdampfungen) dieses Meßverfahren nicht störend beeinflussen.

Claims (1)

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   Erfindungsanspruch

   Verfahren zum Messen und Regeln von Schweißvorgängen, insbesondere von Widerstandsabbrennstumpfschweißvorgängen mit mindestens einem an den Fügeteilen angeordneten elektromechanischen oder elektroakustischen Wandler, indem die durch Longitudinalwellen gekennzeichneten Schallfelder der elektromechanischen oder elektroakustischen Wandler so gestaltet werden, daß sie sich in einem definierten Bereich der Fügeteile überlagern, gekennzeichnet dadurch, daß der zeitliche Verlauf der durch den Schweißstoß durchgelassenen ültraschallamplitude registriert, ein elektrisches Äquivalenzsignal erzeugt und dieses Äquivalenzsignal einer elektronischen Vergleichsschaltung (7) zum Soll-Ist-Vergleich zugeführt wird und daß in bekannter Weise bei Über- bzw. Unterschreitung einstellbarer Grenzwerte ein Regelsignal· erzeugt wird, welches die eingestellten Schweißparameter an einer Schweißmaschine verändert.

   Hierzu 1 Seite Zeichnungan