DD281767A5

DD281767A5 - Einrichtung zur prozessbegleitenden qualitaetssicherung von schweissverbindungen

Info

Publication number: DD281767A5
Application number: DD32422788A
Authority: DD
Inventors: Peter Seyffarth; Robert Diesterbeck
Original assignee: Univ Rostock
Priority date: 1988-12-28
Filing date: 1988-12-28
Publication date: 1990-08-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur prozeszbegleitenden Qualitaetssicherung von Schweiszverbindungen beim Fuegen und Oberflaechenbeschichten der verschiedensten Staehle durch Schweiszverfahren mit offenem oder verdecktem Lichtbogen mit abschmelzender Elektrode. Sie ist insbesondere zur Automatisierung und Qualitaetssicherung der Schweiszfertigung einsetzbar. Durch die Erfindung werden die chemische Zusammensetzung der Schweiszverbindung und damit die mechanischen Guetewerte und die Schweiszqualitaet des Erzeugnisses in vorgegebenen Grenzen realisiert. Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur prozeszbegleitenden Qualitaetssicherung von Schweiszverbindungen zu schaffen. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe dadurch geloest, dasz ein an sich bekanntes Emissionsspektrometer ueber Optik und Schnittstelle eines an sich bekannten Steuerrechners mit einer ansteuerbaren Schweiszstromquelle derart verbunden ist, dasz im Ergebnis eines durch den Steuerrechner durchgefuehrten Soll/Ist-Vergleiches die Schweiszdaten so geregelt werden, dasz die mechanischen Guetewerte der sich ergebenden Schweisznaht innerhalb vorgegebener, nach Regressionsgleichungen berechneter Grenzwerte liegen.{Emissionsspektrometer; Strahlung; Steuerrechner; Regressionsgleichungen; Prozeszsteuerung}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pr: zeßbegleitenden Qualitätssicherung von Schweißverbindungen beim Fügen und Oberflächenbeschichten der verschiedens.en Stähle durch Schweißverfahren mit offenem oder verdecktem Lichtbogen mit absv imelzender Elektrode. Sie ist insbesondere zur Automatisierung und Qualitätssicherung der Schweißfertigung einsetzbar. Durch die Erfindung werden die chemische Zusammensetzung der Schweißverbindung und damit die mechanischen Gütewerte und die Schweißqualität ties Erzeugnisses in vorgegebenen Grenzen realisiert. Anwendungsgebiet sind z. B. der Stahlbau, Schiffbau, Brückenbau, Hochbau, Chemieanlagenbau u. ä.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, daß die chemische Zusammensetzung von metallischen Verbindungen, d. h. auch von Stählen, mittels der Spektralanalyse bestimmt werden kann. Durch einen Lichtbogen, der zwischen einer Elektrode und dem zu prüfenden Metall erzeugt wird, erfolgt ein lokales Aufschmelzen und Verdampfen des Metalls. Die Atome des aktivierten Metalls werden zur Emission charakteristischer Strahlung angeregt. Über die Intensität der Spektrailinien kann die chemische Zusammensetzung bestimmt werden.

Verfahren und Geräte zur Gewährleistung einer vorgegebenen chemischen Zusdammensetzung und damit vorgegebener mechanischer Güteweite von Schweißverbindungen mittels Schweißprozeßübarwachung sind bisher nicht bekannt geworden.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, auf eine neue Art eine Qualitätssicherung von Schweißverbindungen zu realisieren und durch die prozeßbegleitende Gewährleistung der chemischen Zusammensetzung des Schweißgutes auch die mechanischen Gütewerte innerhalb vorgegebener Grenzen zu gewährleisten und eine aufwendige mechanische zerstörende Schweißnahtprüfung ebenso einzusparen wie die aufwendige Bestimmung der Schweißdaten durch vorhergehende Experimente.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur prozeßbegleitenden Qualitätssicherung von Schweißverbindungen zu schaffen, das durch die Ausnutzung des Wirkzusammenhanges und der Wechselbeziehungen von chemischer Zusammensetzung und mechanischen Gütewerten des Schweißgutes die Schweißqualität des Erzeugnisses in vorgegebenen Grenzen realisiert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein an sich bekanntes Emissionsspektrometer über Optik und Schnittstelle eines an sich bekannten Steuerrechners mit einer ansteuerbaren Schweißstromquelle derart verbunden ist, daß im Ergebnis eines durch den Steuerrechner durchgeführten Soll/Ist-V ergleiches die Schweißdaten so geregelt werden, daß dir mechanischen Gütewerte der sich ergebenden Schweißnaht innernalb vorgegebener Grenzwe le liegen. Das wird dadurch erreicht, daß die chemische Zusammensetzung des Schweißgutes mit den Regressionsgleichungen (1) bis (3)

Xso = n_xAXzw +(1-A)X_QW (1)

Xsg = Element X im Schweißgut

n_x = Übergangsfaktor des Elementes X vom Zusatzwerkstoff in das Schweißgut

A = Anteil der Zusatzwerkstofffloche a.i der Gesamtquerschnittsfläche der Naht

1-A = Anteil der Grundwerkstofffläche an der Gesamtquerschnittsfläche der Naht

X_GW = Element X im Grundwerkstoff

Xzw = Element X im Zusatzwerkstoff

und für die Ermittlung der Übergangsfaktoren in Abhängigkeit von den Schweißdaten und der chemischen Zusammensetzung des Schweißzusatzstoffes

n_x = a₀ + ai U, + a₂1· + a₃ d₀, + a₄% C + a_s% Si + a₆% Mn +... +a„% Ti (2)

mit ·

a₀... a_n = durch Regressionsrechnung ermittelte Koeffizienten

U₁ = Lichtbogenspannung des Schweißlichtbogens

I, = Schweißstromstärke

d_D( = Schweißdrahtdurchmesser

und analog dazu der Anteil der Zusatzwerkstofffläche an der Gesamtquerschnittsfläche der Naht in Abhängigkeit von den Schweißdaten

A = bo + b₁1₁ + b₂U, + b₃dor + D₄ v, +...+ b„f_D, (3)

b₀... b„ = durch Regressionsrechnung ermittelte Koeffizienten

v, = Schweißgeschwindigkeit

fp, = freie Drahtlänge.

Übri£3 Bezeichnungen wie in Gl. (1), (2),

und über daraus ermittelter chemischer Zusammensetzung nach Regressionsgleichungen 4 bis 9:

HV = C₀ + c, Int + C₂(InO² + c₃%C + c₄%Mn + ... + c„%Ti,inHV30 (4)

Rpo,₂ = do +dilnt + d₂(lnt)² + dj%C +d₄%Mn + ... + d_n%Ti,inMPa (5)

Rm = e₀ +e,lnt + e₂(lnt)' + e₃%C +3₄%Mn + ... + e„%Ti,inMPa (6)

A = f_o + f,lnt + f₂(lnt)* + f₃%C + f₄%Mn + ... + f_n%Ti,in% (7)

Z = go + gi Int + g₂(lnt)² + g₃%C + g₄%Mn + ... + g_n%Ti,in% (8)

K = h_o + h_o + h,ht + h₂(lnt)² + h₃%C + h₄%lvln + ... + h_n%Ti,inJ (9)

HV = Härte nach Vickers

RpO,2 = 0,2-Dehngrenze

R_m = Zugfeotigkeit

A = Bruchdehnung

Z = Brucheinschnürung

K . = Kerbschlagarbeit

Cj...h| = durch Regressionsrechnung ermittelte Koeffizienten

t = Abkühlzeit von 850 bis 500⁰C.

Weichen die momentanen von den erforderlichen mechanischen Gütewerten ab, so erfolgt über eine Schnittstelle die Ansteuerung der Schweißstromquelle. Dies erfolgt solange, bis die momentanen gleich den vorgegebenen und einzuhaltenden mechanischen Gütewerten sind, womit erfindungsgemäß die Aufgabe der Qualitätssicherung durch gewährleistete

mechanische Gütewerte erfüllt ist.

Wenn keine ansteuerbare Schweißstromquelle verwendet wird, kann erfindungsgemäß die Aufgabe auch durch die Ansteuerung des Drahtvorschubgetriebes erfüllt werden, wodurch sich der Arbeitspunkt als Schnittpunkt zwischen

Lichtbogenkennlinie und statischer Kennlinie der Schweißstromquelle verschiebt und die Schweißdaten in gawünschter Weise solange verändert werden, bis infolge dadurch veränderter Abbrand- und Einbrandverhältnisse sowie dadurch veränderter chemischer Zusammensetzungen und Abkühlungszeiten die mechanischen Gütewerte entsprechend der im Rechner erfolgenden Abarbeitung der Gleichungen (1) bis (9) innerhalb der geforderten Grenzen liegen.

Ausführungsbeispiel

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Das Blockschaltbild 1 stellt die Verknüpfung der zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen einzelnen Baugruppen für die prozeßbegleitende Qualitätssicherung dar. Bei bekannten chemischen Zusammensetzungen der Werkstücke und des Zusatzwerkstoffes, die mit dem Emissionsspektrometer bestimmt werden, wird bei Kenntnis der Wirkzusammenhänge zwischen den chemischen Zusammensetzungen der Ausgangswerkstoffe und den Schweißparametern die sich beim Schweißen ergebende chemische Zusammensetzung des Schweißgutes berechnet. Das für diese Kalkulation erforderliche mathematische Modell berücksichtigt u.a. folgende Einflußfaktoren:

Schweißstrom, Schweißspannung, Schweißgeschwindigkeit, Drahtdurchmesser, freie Drahtlänge, Gaszusammensetzung, Gasmenge, chemische Zusammensetzung des Zusatzwerkstoffes, Übergangskoeffizienten der Legierungselemente des Zusatzwerkstoffes in Abhängigkeit von den Schweißdaten.

Mit der damit ermittelten chemischen Zusammensetzung des Schweißgutes werden bei Kenntnis des Wirkzusammenhangs zwischen chemischer Zusammensetzung sowie der sich aus den Schweißdaten ergebenden Abkühlungszeit einerseits und don mechanischen Gütewerten andererseits die vorhandenen mechanischen Gütewerte benennet.

Durch einen rechnergestützten Soll/Ist-Vergleich wird geprüft, ob die mechanischen Gütewerte des vorliegenden Schweißgutes innerhalb der vorgegebenen Grenzen liegen. Liegen die mechanischen Gütewerte außerhalb des zulässigen und die Qualität gewährleistenden Bereiches, werden die Schweißdaten entweder über die ansteuerbare Schweißstromquelle oder über die Ansteuerung des Drahtvorschubgetriebes und die dadurch erfolgende Arbeitspunktverschiebung solange verändert, bis die mechanischen Gütewerte wieder im zulässigen Bereich liegen, was durch die optische Spektralemission und deren rechnergestützter Auswertung kontrolliert und angezeigt wird.

Die durch den brennenden Lichtbogen emittierende Strahlung wird über die Optik 1 aufgenommen, verarbeitet und die chemische Zusammensetzung des Schweißgutes im Emissionsspektrometer 2 ermittelt. Aus dieser werden im Rechner 3 die mechanischen Gütewerte des Schweißgutes berechnet und im Soll- Ist-Vergleich zwischen vorhandenen und zulässigen Gütewerten geprüft. Die Berechnung der chemischen Zusammensetzung erfolgt nach o.g. Gleichungen (1) bis (3), und die Berechnung der mechanischen Gütewerte erfolgt nach den o.a. Gleichungen (4) bis (9).

Weichen die momentanen von den erforderlichen mechanischen Gütewerten ab, so erfolgt über die Schnittstelle 3 die Aussteuerung der Schweißstromquelle 4.

Claims

Verfahren zur prozeßbegleitenden Qualitätssicherung von Schweißverbindungen unter Verwendung von einer Optik, eines Emissionsspektrometers, Steuerrechners und einer Schweißstromquelle hei Durchführung eines Soll-Ist-Vergleichs, gekennzeichnet dadurch, daß mittels Steuerrechner (3) der Soll/Ist-Vergleich zwischen vorgegebenen zulässigen und Ist-Gütewerten, die über Optik (1) und Emisslonsspektrometer (2) erfaßt und mittels Steuerrechner (3) aus emittierter Strahlung des Schweißgutes nach:

XsG = n_xAX_zw+(1-A)X_Gw · (D

Xsg = ElementX im Schweißgut

n_x = Übergangsfaktor des Elementes X vom Zusatzwerkstoff in das Schweißgut

A = Anteil der Zusatzwerkfitofffläche an der Gesamtquerschnittsfläche der Naht

1-A = Anteil der Grundwerkstofffläche an der Gesamtquerschnittsfläche der Naht Xgw = Element X im Grundwerkstoff

X_zw = Element X im Zusatzwerkstoff

und für die Ermittlung der Übergangsfaktoren in Abhängigkeit von den Schweißdaten und der chemischen Zusammensetzung des Schweißzusatzstoffes

n_x = a₀ + S₁ U_s + a₂1₈ + a₃ d_Dr + a₄% C + a_s% Si + a₆% Mn + ... +a_n% Ti (2)

a₀... a_n = durch Regressionsrechnung ermittelte Koeffizienten

U_s = Lichtbogenspannung des Schweißlichtbogens

I₈ = Schweißstromstärke

d_Dr = Schweißdrahtdurchmesser

und analog dazu der Anteil der Zvisatzwerkstofffläche an der Gesamtquerschnittsfläche der Naht in Abhängigkeit von den Schweißdaten

A = D₀ + b, l_s + b₂ U_s + D₃ d_Dr + b₄ v_s +... + b_n f_Dr (3)

b₀... b_n = durch Regressionsrochnung ermittelte Koeffizienten

v_s = Schweißgeschwindigkeit

for = freie Drahtlänge.

übrige Bezeichnungen wie in Gl. (1), (2),

und über daraus ermittelter chemischer Zusammensetzung nach Regressionsgleichungen 4 bis 9:

HV = C₀ + C; Int + c₂(lnt)² + Cj%C + c₄%Mn + ... + c_n%Ti,inHV30 (4)

po,2

Rpo,2 = d₀ +d,lnt +d₂(lnt)² +d₃%C +d₄%Mn + ... + d_n%Ti,inMPa (5)

Rm = e₀+e,lnt +e₂(lnt)² +e₃%C +e₄%Mn + ...+ e_n%Ti,inMPa (6)

A = f₀ + fi In t + f₂dnt)² + f₃%C + ^%Mn + ... + f_n%Ti, in% (7)

Z = g₀ +gilnt +g₂(lnt)² +g₃%C +g₄%Mn + ... + g_n%Ti,in% (8)

K = ho + hlnt + hzIInt^ + h^/oC + h^/oMn + ... + h_n%Ti,inJ (9)

HV = Härte nach Vickers

RpO,2 = 0,2-Dehngrenze

R_m = Zugfestigkeit

A = Bruchdehnung

Z = Brucheinschnürung

K = Kerbschlagarbeit

C)... h| = durch Regressionsrechnung ermittelte Koeffizienten

t =AbkühlzeitvonÖ50bis500°C.

berechnet werden, durchgeführt wird und anschließend die Schweißdaten innerhalb vorgegebener Grenzwerte durch Anste ;erung der Schweißstromquelle (4) oder des Drahtvorschubgetriebes bei verschobenem Arbeitf.punkt als Schnittpunkt zwischen Lichtbogenkennlinie und statischer Kennlinie der Schweißstromquelle (4) geregelt werden.