DD221665A1

DD221665A1 - Verfahren zur ueberwachung und steuerung des schweissprozesses

Info

Publication number: DD221665A1
Application number: DD26073384A
Authority: DD
Inventors: Norbert Meyendorf; Rudolf Nitzsche; Wolfgang Joachim
Original assignee: Zentralinstitut Schweiss
Priority date: 1984-03-09
Filing date: 1984-03-09
Publication date: 1985-05-02

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ueberwachung und Steuerung des Schweissprozesses beim Lichtbogenschweissen oder -schneiden. Ziel ist, mit geringem Aufwand Temperaturfelder und daraus Messgroessen zu ermitteln, mit denen eine Steuerung des Schweissprozesses erfolgen kann. Die Loesung ist so zu gestalten, dass eine Prozessueberwachung und -steuerung im Echtzeitbetrieb gewaehrleistet ist. Kennzeichnend ist, dass eine Aufnahmeoptik, bestehend aus Lochblende, Polarisations- und Schmalbandfilter, am Aufnahmekopf so angeordnet wird, dass die Weiterleitung des optischen Bildes ueber Lichtleitkabel mit direkter Kopplung an der Aufnahmeroehre der Fernsehkamera erfolgt, dass die Stoerstrahlung durch Filterung mittels Schmalbandfilter und Polarisationsfilter unterdrueckt wird, dass durch die Schaltungsvariante ein Aequidensitensignal und ein Konturensignal in Abhaengigkeit der Temperatur und Geometrie des Schweissbades erzeugt wird und daraus Spannungen gebildet werden, die in Beziehung zur Geometrie des Temperaturfeldes stehen und ueber ein Ist-Soll-Vergleich eine Prozesssteuerung der Parameter Schweissgeschwindigkeit, Schweissstrom und Schweissspannung erfolgt.

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Verfahren zur Überwachung und Steuerung des Schweißprozesses, insbesondere zum Erfassen der Schweißbadzone beim Lichtbogenschweißen und-schneiden, unter Verwendung von Bildlichtleiterh.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß Schmelzschweißnähte im allgemeinen erst nach deren Fertigstellung auf Güte und Lage der Schweißnaht sowie auf eventuelle Fehler wie z. B, größere Poren und undicht verschweißte Stellen überprüft werden. Die Prüfung kann visuell oder mittels Röntgenstrahlen, Ultraschall oder dergleichen erfolgen. Zur Fehlerbeseitigung ist oft eine umfangreiche Nacharbeiterforderlich. ,

Bekannt ist auch, daß aus der Messung des Zeitintervalls, in dem die Temperatur des Schweißgutes einen bestimmten Bereich durchläuft, beispielsweise 8OfJ⁰C bis 500⁰C, Rückschlüsse auf das sich bildende Gefüge und damit im Zusammenhang stehende mechanische Eigenschaften gezogen 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 notwendig. Thermoelemente sind zur Anordnung in der Schmelze selbst nicht geeignet. Sie stören den Schweißprozeß und beeinflussen das Temperaturfeld. Es wurde auch bereits versucht, das Abkühlintervall aus den gegebenen Schweißparametern und Schweißbedingungen rechnerisch zu erfassen. Da es nicht möglich ist, die Komplexität des Schweißprozesses auf diesem Wege zu erfassen, ist diese Methode an zahlreiche vereinfachende Annahmen oder/und empirische Anpassungen gebunden. Diese können im konkreten Anwendungsfall zu beträchtlichen Fehlern führen. *

Es ist ebenfalis bekannt, die Schmelzschweißung pyrometrisch zu überwachen. Dabei kann aber nur eine lokale Messung durchgeführt werden. Soll eine Teil- oder Feldabtastung 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 Punkt 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 mitgefühlt werden, um immer dieselbe Position zum Wärmefeld beizubehalten.

Bekannt 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 Schweißvorgang durch Änderung der Schweißbedingungen geregelt wird.

Es sind nach DDPS 157398, DE-AS 1284659, DE-AS 257/643 und SU-PS 567564 Lösungen bekannt, die Isothermen eines Bereiches der Schweißzone erfassen, welche durch Augenschein ausgewertet oder durch elektronischen Vergleich ein manuelles Nachsteuern eines Schweißvorganges ermöglichen. Des weiteren sind Lösungen mit Lichtleitern nach der DD-PS 152734 bekannt, die auf Helligkeitsunterschiede des Schweißlichtbogens bzw. des Schweißbades basieren. Die wesentlichen Nachteile dieser Lösungen sind:

— Zuordnung Kamera—Schweißbrenner oft problematisch.

— Kamera muß mit dem Brenner mitgeführt werden.

— In vielen Fällen (bei komplizierten Bauteilen) kann die Kamera nicht direkt auf den Schweißbrenner „blicken" (Ecken/ Kanten).

— Hohe thermische, mechanische und Schmutzbelastung der Kamera.

— Signalgewinnung ist aufwendig — erfordert relativ hohen elektronischen Aufwand.

— Die digitale Büdauswertung im Echtzeitbetrieb ist problematisch — es wird kein kontinuierliches Regelsignal zur Prozeßsteuerung erhalten.

Zksl dar Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, mit verhältnismäßig geringem Aufwand Temperaturfelder beim Schweißen und daraus kontinuierliche Meßgrößen zu ermitteln, mit denen eine Prozeßsteuerung derart erfolgen kann, daß eine gleichbleibend gute Schweißnahtqualität erreicht wird.

Das WmBn der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Steuerung zu entwickeln, wo gewährleistet wird, daß eine Temperaturfeidermittlung bei beliebiger Brennerposition realisiert wird und eine Prozeßüberwachung und -steuerung im Echtzeitbetrieb gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Aufnahmeoptik, bestehend aus Lochblende, Polarisations- und Schmalbandfilter, am Aufnahmekopf so angeordnet ist, daß die Weiterleitung des optischen Bildes über Lichtleitkabel mit

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direkter Kopplung an der Aufnahmeröhre der Fernsehkamera erfolgt, daß die Störstrahlung durch Filterung mittels

Schmalbandfilter und Polarisationsfilter unterdrückt wird, daß durch die Schaltungsvariante ein Äquidensitensignal und ein Konturensignal in Abhängigkeit der Temperatur und Geometrie des Schweißbades erzeugt wird und daraus Spannungen gebildet werden, die in Beziehung zur Geometrie des Temperaturfeldes stehen und über einen Ist-Soll-Vergleich eine Prozeßsteuerung der Parameter Schweißgeschwindigkeit, Schweißstrom und Schweißspanriung erfolgt.

Es handelt sich somit um ein neuartiges Bildaufnahme- und Auswerteverfahren, wobei aus dem Temperaturfeld beim Schweißen Signale gewonnen werden, die zur Prozeßoptimierung dienen.

Hierbei erfolgt die Bildaufnahme durch einen Aufnahmekopf, der unmittelbar am Schweißbrenner angeordnet ist und der eine Lochblende enthält, die anstelle einer Glasoptik den Schweißprozeß auf dem Bildleiter abbildet. Das Bild wird über einen Bildleiter zur Fernsehkamera übertragen. Das Lochkameraprinzip ist aufgrund der hohen Lichtintensität, die beim Schweißen zur Verfügung steht, und der weniger hohen Anforderungen an Bildschärfe eine ideale Lösung. Damit werden die geringen Abmessungen des Kopfes und die direkte Anordnung am Schweißbrenner möglich. Die optischen Filter unterdrücken die Lichtbogenstrahlung und Reflexe. Die richtige Bildhelligkeit wird durch das Verdrehen der Polarisationsfilter gegeneinander eingestellt. Zur Bildauswertung dient eine Schaltung, die einen im TV-BiId verschiebbaren Graukeil, beispielsweise zur Temperaturkalibrierung, erzeugt und die ein Äquidensiten- und Konturensignal liefert, wenn das Bildsignal einen einstellbaren Schwellwert über- bzw. unterschreitet. Die Fernsehbetriebszentrale liefert ein normgerechtes Videosignal (U_Vid_eo) sowie die benötigten Vertikal —(V), Austast-(A) und Synchronimpulse (S).

Der V-Impuls wird verzögert, wobei die Verzögerung einstellbar ist und die Keillage bestimmt und einen monostabilen

Multivibrator steuert, der die Keilbreite festlegt. ^v >

Der Α-Impuls synchronisiert einen Sägezahngenerator, dessen Ausgangsspannung der Erzeugung des Graukeils dient. Die Signalumschaltung erfolgt mit einem FET-Schalter, der ebenfalls das Äquidensiten- oder Konturensignal zuschaltet. Zur Erzeugung des Äquidensiten- und Konturensignals wird das Videosignal mit einer Referenzspannung (LT) verglichen. Eine

logische Schaltung sorgt dafür, daß sowohl beim Über-als auch beim Unterschreiten der Referenzspannung ein ;

Ausgangsimpuls mit definierter Breite als Konturensignal (Uk_0n,) erzeugt wird. Eine zweite Logikschaltung legt das '

Äquidensitensignal U_aqui so lange auf High-Pegel, wie U_Video größer ist als die Referenzspannung (U').

Der Signalumschaltung folgt noch ein Videoverstärker, der Signaldämpfungen ausgleicht und dem Graukeil die notwendigen

Synchronimpulse zumischt, so daß am Ausgang wieder ein.normgerechtes Videosignal mit Graukeil und Äquidensite oder kontur anliegt.

Die Besonderheit der entwickelten Schaltung liegt darin, daß mit sehr geringem Aufwand (im Vergleich zu kommerzielen Geräten, z.B. Densitron) die für den vorliegenden Einsatzfall gestellten Parameter erfüllt werden.

Aus U_kon, und U_aqui werden erfindungsgemäß Meßwerte (Spannungen) erzeugt, die durch einen Ist-Soll-Vergleich zur Steuerung des Schweißprozesses dienen.

Eine Integration des Äquidensitensigrials durch ein RC-Glied ergibt einen Spannungswert (U_b), der einer auf dem Monitor hell geschriebenen Fläche proportional ist. Durch Integration des Konturensignals erhält man einen Spannungswert, der der Länge der Fläche proportional ist (U_a), d.h. senkrecht zur Zeileneinrichtung bzw. in Schweißrichtung.

Die einfache Division beider Größen durch eine Logikschaltung ergibt einen Wert Ü_c, der etwa proportional der Breite des Gebietes ist.

Diese 3 Meßgrößen liegen im Echtzeitbetrieb kontinuierlich am Ausgang des Sensorsystems an. Sie genügen zur Überwachung des Prozesses. Durch eine nachgeschaltete Signalverarbeitungseinheit kann der Prozeß durch Ist-Soll-Vergleiche gesteuert

werden. ' '

Die Größen U_a bis Upwerden mit für den jeweiligen Prozeß charakteristischen Spannungen verglichen. Bei Über-oder

Unterschreitung der Sollwerte leitet die Signalverarbeitungseinheit eine Schweißparameterveränderung ein. .

Äosführungsfeeäsptel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die dazugehörenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Bildleiteroptik und Blockschaltbild.

Fig.2: Aufnahmekopf und Schweißbrenner. ^:

Fig.3: Bildleiter mit Fernsehkamera und Endikon. '

Fig.4: Schema der erzeugten Signale

Nach der Fig. 1 erfolgt die Bildaufnahme über eine Bildleiteroptik, wobei der Aufnahmekopf 2 gemäß Fig.2 unmittelbar in Nähe des Schweißbrenners 1 angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird anstelle einer Aufnahmelinse eine Lochblende 14 eingesetzt.

Davor befindet sich ein Schmalbandfilter 12 UG 6 für IR-Strahlung. Anstelle einer Blende sind zur Helligkeitseinstellung zwei Polarisationsfilter 13 eingesetzt, von denen das eine¹ gegen das andere verdreht wird. Zum Schutz vor Strahlungswärme wird

eine Wasserkühlung vorgesehen. Ein wechselbares Schutzglas 11 und ein durch die Gastülle 10 eingeleiteter Gasstrom schützen die Optik vor Verschmutzung. Der Aufnahmekopf 2 bildet das Temperaturfeld 15 auf dem Bildleiter 3 ab, wobei der Bildleiter optisch dicht an das Endikon 9 einer stationären Fernsehkamera 4 gemäß Fig.3 angekoppelt ist. Als Koppelmedium werden Silikonöle verwendet.

Der Monitor 5 dient zur Überwachung des Temperaturfeldes 15 während des Schweißprozesses. Der Bildleiter 3 ist dabei so _;auf das Endikon 9 justiert, daß das Temperaturfeld 15 des Schweißbades senkrecht auf dem Monitor 5 erscheint, d.h.

Schweißrichtung senkrecht zur Bildzeilenrichtung.

Die Fernsehbetriebszentrale mit Bildanalysator 6 gemäß Fig. 1 erzeugt aus dem Videosignal (Uv;_deo) gemäß Fig.4 das

Äquidensitensignal (U_aqui) sowie das Konturensignal (U_kont) für eine durch die Referenzspannung U' wählbare Grauschwelle.'

Das Äquidensitensignal U_aqui ist gleich Null, wenn das Videosignal U < U' und U_aqui = U_max· wenn U > U', d. h. U_max ist die

maximale Videosignalspannung für weiß. Das, Konturensignal wechselt von 0 auf U_max, wenn U_Vid80 den Wert U' über- oder unterschreitet, bleibt für die Zeit τ bei U_max und fällt dann wieder auf 0 ab. Die Lage von U' wird so gewählt, daß die zugehörige» Kontur einer Isotherme T = 1500⁰C = Schmelztemperatur von Stahl entspricht.

Durch Integration der Signale U_kont und U_aqui werden die Spannungen U₈ und U_b erzeugt, die in der Signalverarbeitungseiiihoit 8 für einen Ist-Soll-Vergleich genutzt werden. Außerdem wird durch Division der Spannungen U_a und U_b in einer Logikschaliung 7 eine Spannung U_c erzeugt, mit der ebenfalls in der Signalverarbeitungseinheit 8 ein Ist-Soll-Vergleich durchgeführt wird.

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Für die Ausgangsspannungen U_a bis U_c gilt dann

(J_a proportional der Schmelzbadlänge .-

Ub proportional der Schmelzbadgröße

U_c proportional der Nahtbreite.

Die Spannungen U₈ bis U_c werden mit vorgegebenen Sollwerten verglichen. Über- oder unterschreitet U_c den Sollwert, wird

die Schweißgeschwindigkeit erhöht oder gesenkt. Über- oder unterschreitet U_b den Sollwert, so sind die Schweißparameter U_s und Ij zu senken oder zu erhöhen.

Claims

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Erfindungsanspruch:

Verfahren zur Überwachung und Steuerung des Schweißprozesses, insbesondere zum Erfassen der Schweißbadzone beim Lichtbogenschweißen und -schneiden unter Verwendung von Bildlichtleitern, gekennzeichnet dadurch, daß eine Aufnahmeoptik, bestehend aus Lochblende (14), Polarisations- und Schmalbandfilter (12; 13), am Aufnahmekopf (2) so angeordnet wird, daß die Weiterleitung des optischen Bildes über Lichtleitkabel mit direkter Kopplung an der Aufnahmeröhre der Fernsehkamera (4) erfolgt, daß die Störstrahlung durch Filterung mittels Schmalbandfilter (12) und Polarisationsfilter (13) unterdrückt wird, daß durch die Schaltungsvariante ein Äquidensitensignal und ein Konturensignal in Abhängigkeit der Temperatur und Geometrie des Schweißbades erzeugt wird und daraus Spannungen gebildet werden, die in Beziehung zur Geometrie des Temperaturfeldes stehen und über einen Ist-Soll-Vergleich eine Prozeßsteuerung der Parameter Schweißgeschwindigkeit, Schweißstrom und Schweißspannung erfolgt.