DD268648A1

DD268648A1 - Verfahren und anordnung zur adaptiven temperaturfuehrung beim widerstandsschweiss- und waermebehandlungsprozess

Info

Publication number: DD268648A1
Application number: DD31297488A
Authority: DD
Inventors: Wilfried Faber; Mathias Uhlmann; Wolfgang Kuehne; Dieter Lindenau
Original assignee: Zentralinstitut Schweiss
Priority date: 1988-02-17
Filing date: 1988-02-17
Publication date: 1989-06-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die Anordnung zur Durchfuehrung einer geregelten Einflussnahme auf die Gefuegeausbildung nach Widerstandsschweissprozessen (Punkt- oder Buckelschweissen), wobei vor allem bei aufhaertungsempfindlichen Staehlen mit Hilfe der Loesung eine gezielte Temperaturfuehrung durchgefuehrt wird. Kennzeichnend ist, dass in den Impulspausen eine von elektro-magnetischen Beeintraechtigungen freie Thermospannung als ein Mass des Temperaturverlaufes aufgenommen wird, entsprechend einer stufenweisen Temperaturverringerung bis hin zu einem gewuenschten Gefuege auch Korrekturen im Hinblick auf bestimmte Sollwerte vorgenommen und dabei die metallurgischen Prozesse jederzeit gesteuert werden koennen. Die zur Durchfuehrung des Verfahrens gewaehlte Anordnung bedient sich mehrerer elektronischer Bauteile, wobei die von den Werkstuecken ausgehenden Messleitungen ueber Verstaerker, Praezisionsgleichrichter und Schwellwertschalter mit einem Umschalter verbunden sind, der ausgangsseitig mit einem Temperaturvergleichersystem in Verbindung steht und die Vergleichsergebnisse jeweils dazu dienen, dass logische Baugruppen und Schaltelemente die Ablaufsteuerung beeinflussen und eine enge Wechselbeziehung zwischen Sollwertvorgabe fuer die Nachgluehimpulse und ihre Korrektur aufgebaut wird und Zeitbaugruppen mit den Sollwerteingaengen des Temperaturvergleichersystems korrespondieren. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Temperaturfühlung beim Widerstandsschweiß- und Wärmebehandlungsprozeß, insbesondere beim Punkt- und Buckelschweißen mit Wärmeführung in der Schweißmaschine zur Erzielung von Schweißverbindungen hoher Festigkeit und Zähigkeit bei aufhärtungssmpfindlichen Stählen und Werkstoffkombinationen und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik Es ist bekannt, daß ein Messen von Temperaturen in Widerstandsschweißanlagen mit Thermoelementen, Thermowiderstr nden

und anderen berührenden thermoelektrischen Wandbrn und berührungslos über Strahlungspyrometer und Thermovisionmöglich ist. So ist aus der Fachliteratur ein Pyrometer bekannt, des in eine Bohrung in bestimmten Abstand von der

Elektrodenarbeitsfläche eingebaut ist. Das Pyrometer kann durch einen Glasfiberschlauch ersetzt werden und die Meßzelle

außerhalb der Elektrode sein. Das Ausgangssignal unterscheidet zwischen einer Überhitzung und optimaler Schweißung. Das

System soll sich für eine Regelung des Schweißvorganges eignen. Der Nachteil ist darin zu sehen, daß die Temperaturmessung fehlerhaft ist und die geänderte Elektrodenform Festigkeits- und Gefügebeeinflussungen bewirkt. Außerdem ist dieses Verfahren durch den Elektrodenverschleiß für die Fertigung nicht

geeignet.

Weiterhin ist ein Verfahren zur Temperaturmessung mit Farbpyrometer bekannt. Da man die Schweißstelle optisch nicht

anvisieren kann, beschränkt man sich auf das Messen der Umgebungstemperatur. Bei dünnen Blechen und kurzen

Schweißzeiten ist die Erwärmung der Randgebiete gering. Ungünstig wirken sich hier der große Temperaturgradient und die Form der Elektrode aus, die einen größeren Bereich als den eigentlichen Schweißpunkt optisch abdeckt. Den Einsatz der Thermografie für d-vii Widerstandsschweißprozeß sieht die DE-OS 2751643 vor. Eine auf Infrarotstrahlung

ansprechende Videokamera nimmt einen bereits gebildeten Schweißpunkt zu einem genau bestimmten Zeitpunkt des Erkaltensin Augenschein, um ihn mit einem vorher bereits unter den gleichen Bedingungen beobachteten Standardschweißpunkt zuvergleichen. Der Wert des Schweißstromes wird mittels Video- und Gleichlaufsignalen von der Kamera gesteuert.

Nachteilig ist auch hier die Temperaturerfassung erst nach Abheben der Elektroden, was eine geregelte Temperaturführung

während des Prozesses unmöglich macht.

Die DE-OS 2835750 stellt ein Verfahren vor, bei welchem über einen Heißleiter (Meßfühler) an der Elektrode deren Erwärmung

erfaßt und mit diesem Wert der elektrische Energieeintrag gesteuert wird. Der Meßfühler ist als temperaturabhängiger

Widerstand ausgebildet. Nachteilig ist hier die Trägheit des Heißleiters. Außerdem verfälscht die Kühlung der Elektroden den Meßwert. Alle hier genannten Lösungen besitzen außerdem den Nachteil, daß zusätzliche mechanische Anbauten an dem Elektrodensystem notwendig sind, die sowohl die Einsatzbedingungen der Schweißanlage verschlechtern als auch die Menge

der zu wartenden und zu pflegenden Baugruppen vergrößern.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wurden Verfahren zur Steuerung der Widerstandsschweißprozesse entwickelt, die rein

elektronisch arbeiten und somit auf jegliche mechanische Ergänzungen an oder in den Elektroden verzichten.

Ein Verfahren und eine Anordnung zur automatischen Steuerung von Widerstandsschweißvorrichtungen wird in der DE-OS 3150199 offenbart, bei dem aus der Dauer der vorangegangenen Schweißvorgänge auf die Temperatur geschlossen

wird. Die Dauer wird durch Zählen der Perioden gemessen. Zu- und Abnahmebedingungen eines vorgewählten Algorithmus werden mit dem Periodenzählwert verglichen. Das Verfahren ist zu ungenau. Störungen bleiben unberücksichtigt.

Bekannt ist auch, zur Führung des Schweißprozesses eine eingebrachte Energie in Form der Schweißspannung, des Schweißstromes und der Schweißzeit zu messen und nach einem vorgegebenen Algorithmus auf die Temperaturen und damit auf die sich ausbildenden Gefüge zu schließen. Dieses Verfahren ist stark fehlerbehaftet, da die wirksame Energieumsetzung und die Verluste nicht erfaßt werden.

Nach der DE-OS 1916 539 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung offenbart, wobei die Amplitude des Schweißstromes während des Schweißvorganges und der Restzeit ständig vergrößert wird. Hierbei ist der Strom jedoch nicht steuerbar. Ein ähnliches Verfahren beinhaltet auch die DE-OS 1918306.

In der DE-AS 2346561 wird eine Prozeßregelung beschrieben, bei der aus gemessenen Parametern Istwerte mit Sollwerten verglichen werden. Auch hier bleiben die thermischen Effekte, die zu Unregelmäßigkeiten führen, unberücksichtigt.

In der DE-OS 2919360 wird ein Schweißroboter vorgestellt, bei dem mittels von im Primärstromkreis liegenden elektrischen Schaltern der Schweißstrom in Abhängigkeit von elektrischen Führungsgrößen geregelt wird.

F.ine gezielte Wärmeführung ist mit diesem Verfahren nicht möglich, da nur vorgegebene Parameter für verschiedene Werkstücke aus gut schweißbaren Werkstoffen vom Mikrocomputer ausgegeben werden und keine adaptiven Einrichtungen vorgesehen sind.

Ein Verfahren zur Wärmeführung und -behandlung beim Widerstandsschweißen beschreibt die DD-PS 225369. Es wird mit Hilfe einer Impulssteuerung der Zündwinkel der Schweißthyristoren verändert und somit der Wärmeverlauf nach einem vorgegebenen ZTU-Schaubild gesteuert, um ein bestimmtes Gefüge zu erhalten.

Eine Temperaturerfassung und -steuerung ist jedoch nicht möglich und damit eine Reaktion auf Unregelmäßioteiten ausgeschlossen. Die Patentanmeldung WP B 23 K/294632.0 beschreibt ein Verfahren zur Temperaturführung beim Widerstandsschweiß- und Lötprozeß. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß während des Schweißprozesses die der Schweißspannung sich überlagernde Thermospannung gemessen wird und, daß durch nachfolgende Filter die maßgebende Thermospannung von der ihr überlagernden Schweiß-Wechselspannung separiert wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß das Erfassen und Auswerten der Thermospannung während des Schweiß- und Wärmebehandlungsprozesses durch auftretende Störgrößen wie starke elektromagnetische Felder, Kontaktspannungen, Schweißspannungssignale, Probleme bei der Abschirmung der Meßleitungen sowie der Signalverarbeitungseinheit verfälscht wird.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, durch eine verbesserte, geregelte Temperaturführung beim Widerstandsschweiß- und Wärmebehandlungsprozeß, insbesondere beim Verbinden aufhärtungsempfindlicher Werkstoffe und Materialkombinationen, reproduzierbare Verbindungen mit hoher Zähigkeit, reproduzierter Rißbildung und bestimmtem Gefügeaufbau (bei optimalen Energieeinsatz) zu erhalten.

Damit ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Anordnung zu entwickeln, welche durch störsichere Erfassung der real wirksamen Werkstücktemperatur an der Verbindungsstelle und geeigneter Signalumsetzung auf bekannte Stellglieder im Schweißstromkreis die Einhaltung einer vorgegebenen Temperaturführung gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei Widerstandsschweiß- und Wärmebehandlungsprozessen mit pulsierender Energiezuführung die Temperaturmessung auf der Basis der bekannten Nutzung der Thermospannung zwischen Elektrode und Werkstück in den Pausen zwischen den Energiezuführungsphasen erfolgt und jeder weitere Energieimpuls bei Erkennen einer minimalen Solltemperatur gestartet wird, so daß die Größe der maximalen Werkstücktemperatur zu Beginn einer Pause zur Korrektur der Einstellwerte für den folgenden Energieimpu's genutzt wird und die Zeitabhängigkeit der Temperatursollwerte entsprechend den metallurgischen Prozessen vorgegeben wird.

Zur durchführung dieses Verfahrens ist eine Prozeßsteuerung notwendig, bei welcher Meßleitungen in bekannter Weise an Werkstück und Elektrode angeschlossen sind, die mit einem von der Schweißspannung gesteuerten elektronischen Schaltersystem verbunden sind, das seinerseits ausgangsseitig Verbindungen zum Temperaturvergleichersystem, welches in bekannter Weise Sollwertunter- und -Überschreitungen erkennt und signalisiert, besitzt, wobei die Ausgänge des Temperaturvergleichersystems über geeignete logische Baugruppen und Schaltelemente mit der Ablaufsteuerung, mit der Sollwertvorgabe für die Energieimpulse und mit der Sollwertkorrektureinrichtung verbunden sind und bei der Zeitbaugruppen vorgesehen sind, die mit den Sollwerteingängen des Temperaturvergleichersystems in Wirkverbindung stehen.

Damit läßt sich folgender Prozeßablauf realisieren:

Der Widerstandsschweißprozeß wird in bekannter Weise durchgeführt. Der Wärmebehandlungsprozeß beginnt mit e' ier Abkühlphase des Werkstücks ohne Energiezuführung, bei welcher die Temperaturmessung über die Thermospannung zwischen Werkstück und einer Elektrode aktiv ist. Erreicht die Werkstücktemperatur entsprechend dem zeitlich vorgegebenen Sollwert eine erste Minimaltemperatur, wird ein Nachglühimpuls entsprechend festen Sollwerten ausgelöst.

Danach setzt eine weitere Abkühlphase ein, in welcher zu Beginn die n, jximale Temperatur des Werkstückes erfaßt wird. Ihre Größe im Vergleich zur vorgesahenen Solltemperatur bewirkt ggf. eine Korrektur der Sollwerte des nächsten Nachglühimpulses.

Dieser wird ausgelöst, sobald die zweite Minimaltemperatur erreicht wird. An den Nachglühimpuls schließt sich eine weitere Abkühlphase an, in welcher wieder die maximale und minimale Temperatur erfaßt werden. Der gesamte Wärmebehandlungsprozeß endet mit der Signalgabe einer Zeitschaltung entsprechend der bauteilabhängigen Vorgaben.

Ausführungsbeispiel

Das Wesen der Erfindung soll anhand eines Beispieles einnr Prozeßsteuerung für den Widerstandsschweiß- und Wärmebehandlungsprozeß für aufhärtungsempfindliche Stähle und Werkstoffkombinationen beschrieben werden, wobei Fig. 1 die Schaltungsanordnung und Fig.2 den Temperaturverlauf beim Nachglühen zeigen.

D.e Anwendung des Verfahrens setzt eine ansteuerbare Widerstandsschweißmaschine voraus, bestehend beispielsweise aus einer Thyristorsteuerung 1, einem Schweißtransformator 2 und dem Elektrodenpaar 3. Die Erfassung der Werkstücktemperatur direkt an der Verbindungsstelle erfolgt in bekannter Art über zwei elektrische Anschlüsse an einer Elektrode 3 und dem Werkstück 4. Die an diesen Punkten erfaßbare Meßspannung Um wird einem linearen Verstärker 5 zugeführt und anschließend im Präzisionsgleichrichter 6 gleichgerichtet. Ein daran angeschlossener Schwellwertschalter 7 betätigt den elektronischen Umschalter kO derart, daß bei fließendem Schweißstrom Festspannungswerte und in der stromlosen Phase die verstärkte Thermospannung aus der Meßspannung Um auf ein Vergleichersystem 8 geschal'et wird. Dieses Vergleichersystem 8 bewertet die Spannung bezüglich dreier Festwerte, die der minimalen Temperatur T_n in der Nachglühphase 1, der minimalen Temperatur T₎₂ in der Nachglühphase 2 und der ma · nalen Temperatur T₂ in ac Nachglühphase 1 entsprechen. Die Ausgänge des Vergleichersystems 8 sind mit den logischen Verknüpfungsbaugruppen der Ablaufsteuerung verbunden. Zur Vorwahl der Parameter für die Schwoiß- und Nachglühimpulse wird ein Sollwertvorgabesystem 9 vorgesehen, das die Grundeinstellung von Schweißstromimpuls, Nachglühimpuls in der Phase 1, Nachglühimpuls in der Phase 2 und Energiereduzierung für alle Nachglühimpulse gestattet. Über die Schalter k1... k4 werden die Sollwertvorgaben einem Summierer 10 zugeführt, der zusammen mit der Netzfrequenzvorgabe und der Impulsfreigabe über die Synchronisiereinrichtung 11 die Ansteuerung des Thyristors in der Thyristorsteuerung 1 ermöglicht. Aufbau und Wirkungsweise der Ablaufsteuerung sollen anhand eines Schweißprozesses beschrieben werden (Fig.2).

Mit dem Startsignal nach Schließen der Elektroden 3 wird die Zeitschaltung 12 aktiviert, die für die Dauer der Schweißzeit t, einen Sollwert über den Schalter k1 bereitstellt und über das ODER-Glied 15.1 die Impulsauslösung bewirkt. Nach Abschluß des Schweißvorganges wird die Zeitschaltung 13 gestartet, die die Nachglühzeit tu in der Phase TI vorgibt. Sobald das Vergleichersystem 8 eine Unterschreitung der minimalen Temperatur Tn in der Nachglühphase T1 signalisiert, wird über das UND-Glied 16.1, dem zweiten ODF^p.-ü>"ed 15.2 und dem Impulsgeber 18 ein Nachglühimpuls mit der Nachglühimpulslänge t_NQ ausgelöst, wobei ein Sollwert 'Tjer den Schalter k2 bereitgestellt wird. Gleichzeitig wird der Flipflop 17.1 gesetzt. Unter der Annahme, daß der Nachglniimpuls das Werkstück 4 zu sehr erwärmte, was von dem Vergleichersystem 8 im Vergleich zu der maximalen TemperaturT2 in der NachglühphaseTI signalisiert wird, erfolgt über das UND-Glied 16.3 und den Flipflop 17.2 eine Zuschaltung des Schalters k4, womit für alle weiteren Nachglühimpulse die im Sollwertvorgabesystem 9 eingestellte Energiereduzierung wirksam wird. Nach Ablauf der Nachglühzeit tu in der Phase T1 startet die Zeitschaltung 14 die Nachglühphase T2. In dieser Phase löst die Signalgabe des Vergleichersystems 8 bei Unterschreitung der minimalen Temperatur T12 in der Nachjilühphase über das UND-Glied 16.2, das ODER-Glied 15.2 und den Impulsgeber 18 einen Nachglühimpuls nach den Einstellwe/ten des Sollwertvorgabesystems 9 über die Schalter k3 und k4 aus. Dieser Vorgang wiederholt sich zyklisch, bis die Nachglühzeit t_T2 in der Phase T2 abgelaufen ist. Das ausgegebene STOP-Signal beendet den Widerstandsschweiß- und Wärmebehandlungsprozeß. Die Rücksetzung der Γ lipflop 17 erfolgt automatisch mit dem Startsignal der nächsten Schweißung.

Claims

1. Verfahren zur adaptiven Temperaturführung beim Widerstandsschweiß- und Wärmebehandlungsprozeß auf Schweißmaschinen mit ansteuerbarer Schweißstromquelle (2) für pulsierende Energiezuführung unter Nutzung einer Thermospannung zwischen Elektrode und Werkstück, gekennzeichnet dadurch, daß die Messung der Thermospannung diskontinuierlich in den Pausen zwischen den Energiezuführphasen erfolgt, so daß jeder weitere Energieimpuls bei Erreichen einer minimalen Solltemperatur gestartet wird und die Größe der maximalen Werkstücktemperatur zu Beginn einer Pause zwischen rwei Nachglühimpulsf in zur Korrektur der Einstellwerte für die folgenden Energieimpulse genutzt wird und, daß die Zeitabhängigkeit der Temperatursollwerte entsprechend den metallurgischen Prozessen vorgegeben wird.

2. Anordnung zur adaptiven Temperaturführung beim Widerstandsschweiß- und Wärmebehandlungsp'-izeß, unter Nutzung von Meßleitungen von Werkstück (4) zu den Elektroden (3), gekennzeichnet daourch, daß die Meßleitungen über Verstärker (5), Präzisions^leichrichter (6) und Schwellwertschalter (7) mit einem Umschalter (KO) verbunden sind, der ausgangsseitig Verbindungen zum Temperaturvergleichersystem, welches in bekannter Weise Sollwertunter- und -Überschreitungen erkennt und signalisiert, besitzt, woboi die Ausgänge des Temperaturvergleichersystems über geeignete logische Oaugruppen und Schaltelemente mit der Ablaufsteuerung, mit der Sollwertvorgabe für die Energieimpulse und mit der Soliwertkorrektureinrichtung verbunden sind und, daß Zeitbaugruppen vorgesehen sind, die mit den Sollwerteingängen des Temperaturvergleichersystems in Wirkverbindung stehen.