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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beurteilung der Standzeit einer Wolfram-Elektrode, ein Verfahren zum Schweißen mit einer Wolfram-Elektrode, ein Schweißsystem, ein Schweißteil und eine Vorrichtung.
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Beim WIG-Schweißen (Wolfram-Inertgas-Schweißen) kommt es häufig zu Wolfram-Elektroden-Versagen. Dies ist zum einen durch ein Einschnüren der Wolfram-Elektrode im Bereich der Spitze und die dadurch verminderte Stromtragfähigkeit bedingt. Dies führt zu einer stark erhöhten Widerstandserwärmung und kann zu einem Abtropfen der Wolfram-Elektrode führen. Zum anderen kann die Schweißqualität vermindert sein, wenn ein verunreinigtes Schutzgas (beispielsweise verunreinigt mit Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid etc.) verwendet wird, so dass die Verunreinigungen eine Kranzbildung im Bereich der Spitze der Wolfram-Elektrode verursachen. Diese Umstände verringern die Schweißnahtqualität und die Schweißsicherheit. Folglich ist ein rechtzeitiges Auswechseln der Wolfram-Elektrode notwendig. Ein Nacharbeiten von Schweißnahtfehlern aufgrund der vorstehend genannten Umstände ist sehr aufwändig und erhöht die Prozessnebenzeiten erheblich.
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Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, eine Wolfram-Elektrode während des Schweißens mit einer Kamera zu beobachten. Auf diese Weise kann eine Standzeitbeurteilung anhand des äußeren Erscheinungsbildes der Wolfram-Elektrode erfolgen. Eine solche Standzeitbeurteilung ist jedoch nicht sehr zuverlässig und nicht sehr genau.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Beurteilung der Standzeit einer Wolfram-Elektrode bereit zu stellen. Insbesondere soll das Verfahren eine Standzeitbeurteilung mit hoher Zuverlässigkeit erlauben. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Schweißen mit einer Wolfram-Elektrode bereit zu stellen, mit welchem Schweißteile verbesserter Qualität geschaffen werden können. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Schweißsystem anzugeben, mit welchem die Verfahren ausgeführt werden können. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Schweißteil sowie eine Vorrichtung mit verbesserter Qualität zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, mit einem Verfahren zum Schweißen mit einer Wolfram-Elektrode mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen, einem Schweißsystem mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Schweißteil mit dem in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen und mit einer Vorrichtung mit den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Beurteilung der Standzeit einer Wolfram-Elektrode beim Schweißen wird ein Bild der Wolfram-Elektrode erfasst, anhand des Bildes die Kontur der Wolfram-Elektrode zumindest teilweise ermittelt, diese Kontur mit einem oder mehreren Referenzdaten einem Vergleich unterzogen und anhand dieses Vergleichs auf die verbleibende Standzeit und/oder auf ein nahendes Ende der Standzeit geschlossen.
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Zweckmäßig ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Vergleich der Kontur mit Referenzdaten auf die Erfassung von Einschnürungen im Bereich der Spitze der Wolfram-Elektrode und/oder sich durch Kontaminationen bildender Kränze und/oder weiterer Formabweichungen gerichtet. Teile der erfindungsgemäß erfassten Kontur sowie die Referenzdaten sind beispielsweise durch die Querausdehnung der Kontur im Bereich der Spitze der Wolfram-Elektrode gebildet.
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Da sich gemäß der Erfindung nicht allein auf eine Einschätzung des äußeren Erscheinungsbildes der Wolfram-Elektrode verlassen werden muss, kann eine erheblich zuverlässigere und genauere Beurteilung der Wolfram-Elektrode erfolgen. Ein frühzeitiges Erkennen eines bevorstehenden Endes der Wolfram-Elektrode vermeidet eine aufwändige Nachbearbeitung einer nach Ende der Standzeit geschweißten und daher typisch fehlerhaften Schweißnaht. Somit können Schweißteile mit höherer Qualität gefertigt werden. Ferner können Nebenzeiten, die durch einen ansonsten erforderlichen Wechsel der Wolfram-Elektrode bedingt sind, minimiert werden und so die Prozesszeit verringert werden. Weiterhin sind für die Dauer des Schweißprozesses die angestrebten Schweißeigenschaften der Wolfram-Elektrode gewährleistet, so dass das erfindungsgemäße Verfahren eine große Fertigungssicherheit beim Schweißen sowie eine gute Fertigungsqualität der erfindungsgemäß geschweißten Schweißteile sicher stellt.
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Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest ein mit der Kontur der Wolfram-Elektrode korrespondierender Parameter ermittelt. Zweckmäßigerweise wird dieser zumindest eine Parameter mit zumindest einem Referenzdatum verglichen. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem zumindest einen Referenzdatum um eine für den Betrieb vorgesehene Sollgröße des Parameters. Geeignet bildet das Referenzdatum einen Schwellwert, bei dessen Erreichen oder Überschreiten oder Unterschreiten auf ein nahendes Ende der Standzeit geschlossen wird. In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das zumindest eine Referenzdatum vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereits vorbestimmt. Idealerweise ist dabei das zumindest eine Referenzdatum aus Vergleichsmessungen erhalten.
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Alternativ und ebenfalls bevorzugt ergibt sich das zumindest eine Referenzdatum zu einem bestimmten Zeitpunkt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus zumindest einem erfassten Messwert bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu einem zurückliegenden Zeitpunkt. Auf diese Weise wird eine zeitliche Änderung zumindest eines die Kontur der Wolfram-Elektrode bestimmenden Parameters herangezogen, so dass auf die verbleibende Standzeit und/oder auf ein nahendes Ende der Standzeit geschlossen wird.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Bild spektral gefiltert erfasst. Auf diese Weise lässt sich vorteilhaft die Wolfram-Elektrode erfassen und der Lichtbogen aus- beziehungsweise teilweise ausblenden, d.h. in der Intensität abschwächen. Somit kann einer Überbelichtung bei der Erfassung des Bildes der Wolfram-Elektrode beim Schweißen vorgebeugt werden.
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Vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Wolfram-Elektrode beleuchtet, insbesondere mit zumindest einer Hochleistungslampe und/oder mit zumindest einem Laser. Auf diese Weise kann genügend Licht gesammelt werden, um ein Bild einer sich scharf abgrenzenden Kontur der Schweißelektrode zu erhalten. Idealerweise weisen die zumindest eine Hochleistungslampe und/oder der zumindest eine Laser eine derartiges Spektrum auf, dass ein Großteil des beleuchtenden Lichts auch bei spektral gefilterter Erfassung des Bildes in dieses Bild eingeht. Auf diese Weise lässt sich zugleich das Bild spektral gefiltert erfassen und die Erfassung des Bildes der Wolfram-Elektrode infolge der Beleuchtung verbessern. Alternativ und ebenfalls vorteilhaft wird die Intensität eines Spektralbereichs des vom Lichtbogen stammenden Lichts zur Beleuchtung der Wolfram-Elektrode genutzt. Zweckmäßigerweise wird dabei das Bild der Wolframelektrode derart spektral gefiltert erfasst, dass der überwiegende Teil des vom Lichtbogen abgestrahlten, insbesondere sichtbaren, Lichts derart stark ausgeblendet wird, dass das Bild nicht überbelichtet wird, aber zugleich die Kontur der Wolfram-Elektrode mit hinreichender Güte erfasst wird.
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Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Verfahren beim Engspaltschweißen und/oder beim Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen) durchgeführt. Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren beim WIG-Engspaltschweißen durchgeführt. Gerade beim WIG-Engspaltschweißen liegen die Schweißnahttiefen etwa zwischen 50 bis 320 mm mit Spaltbreiten zwischen 10 und 14 mm. Insbesondere in diesem Fall ist ein Nacharbeiten fehlerhafter Schweißverbindungen äußerst aufwändig oder sogar ausgeschlossen, da die Schweißverbindung nur eingeschränkt zugänglich ist. Besonders in diesem Fall erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren daher als besonders vorteilhaft.
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Zweckmäßig wird das Verfahren beim Schweißen zumindest eines Teils einer Turbine und/oder eines Turbinenläufers und/oder eines Rotors und/oder einer Welle oder eines die vorgenannten Bauteile aufweisenden Werkstücks durchgeführt.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Schweißen mit zumindest einer Wolfram-Elektrode wird eine Beurteilung der Standzeit der Wolfram-Elektrode wie zuvor beschrieben durchgeführt. Geeigneterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schweißen dann, wenn ein nahendes Ende der Standzeit festgestellt wird, das Schweißen unterbrochen. Nachfolgend kann dann mit einer neuen Wolfram-Elektrode fortgefahren werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schweißen ermöglicht das Schweißen von Schweißteilen mit besonders guter Qualität. Insbesondere wird dieses Verfahren zum Schweißen zumindest eines Teils einer Turbine und/oder eines Turbinenläufers und/oder eines Rotors und/oder einer Welle oder eines die vorgenannten Bauteile aufweisenden Werkstücks durchgeführt.
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Das erfindungsgemäße Schweißsystem ist zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wie zuvor beschrieben ausgebildet und weist zweckmäßig eine Wolfram-Elektrode auf. Das erfindungsgemäße Schweißsystem weist eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines Bildes der Wolfram-Elektrode auf, insbesondere eine Kamera. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Schweißsystem eine Konturermittlungseinrichtung, ausgebildet zur Ermittlung zumindest eines Teils der Kontur der Wolfram-Elektrode mittels des erfassten Bildes, eine Vergleichseinrichtung, welche zum Vergleich dieser Kontur mit einer oder mehreren vorgegebenen Größen ausgebildet ist sowie einer Bewertungseinrichtung, welche zur Ermittlung der verbleibenden Standzeit oder eines nahenden Endes der Standzeit anhand des Vergleichs ausgebildet ist.
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Geeigneterweise umfasst das erfindungsgemäße Schweißsystem eine Hochleistungslampe und/oder einen Laser und/oder einen Spektralfilter. Zweckmäßigerweise sind eine Hochleistungslampe oder ein Laser und ein Spektralfilter vorhanden, wobei der Spektralfilter derart gewählt ist, dass er das Licht der Hochleistungslampe und/oder des Lasers passieren lässt. Geeigneterweise ist der Spektralfilter ausgebildet, das Licht des sich beim Schweißen ausbildenden Lichtbogens zumindest teilweise abzuschwächen oder auszublenden.
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Das erfindungsgemäße Schweißteil ist mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schweißen mit zumindest einer Wolfram-Elektrode, wie es vorhergehend beschrieben ist, und/oder mit einem erfindungsgemäßen Schweißsystem wie zuvor beschrieben geschweißt. Insbesondere ist das Schweißteil zumindest ein Teil einer Turbine und/oder eines Turbinenläufers und/oder eines Rotors und/oder einer Welle oder das erfindungsgemäße Schweißteil umfasst eines oder mehrere der vorgenannten Bauteile. Das erfindungsgemäße Schweißteil ist wie zuvor beschrieben mit besonders guter Qualität fertigbar.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein erfindungsgemäßes Schweißteil wie zuvor beschrieben. Bevorzugt ist oder umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Turbine und/oder ein/en Turbinenläufer und/oder ein/en Rotor und/oder eine Welle.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Zeichnungs1 zeigt schematisch eine Anordnung zur Beurteilung der Standzeit einer Wolfram-Elektrode beim Schweißen in einer schematischen Darstellung.
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Das in 1 dargestellte erfindungsgemäße Schweißsystem dient zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Beurteilung der Standzeit einer Wolfram-Elektrode beim Schweißen. Dieses Verfahren wird bei Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schweißen mit zumindest einer Wolfram-Elektrode durchgeführt. Ferner wird mittels des nachfolgend beschriebenen Verfahrens zum Schweißen mit zumindest einer Wolfram-Elektrode ein erfindungsgemäßes Schweißteil und eine erfindungsgemäße Vorrichtung gefertigt.
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Bei dem Verfahren wird an einem Werkstück (nicht dargestellt) mit einer Wolfram-Elektrode 10 eine Schweißnaht (nicht dargestellt) mittels Wolfram-Inertgas-Engspaltschweißens geschweißt. Mittels einer Hochleistungslampe 20 wird die Wolfram-Elektrode 10 während des Schweißens mit Licht beleuchtet. Alternativ kann die Wolframelektrode 10 mit einem Laser (nicht dargestellt) beleuchtet werden oder die Intensität eines Spektralbereichs des vom Lichtbogen stammenden Lichts wird zur Beleuchtung der WIG-Schweißeleketrode 10 genutzt.
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Die Schweißnaht erstreckt sich entlang einer Geraden (nicht gesondert dargestellt). An einem Längsende der Schweißnaht 15 ist eine Kamera 30 angeordnet, welche das Bild 32 der Wolfram-Elektrode 10 während des Schweißens erfasst. Dabei ist die Kamera 30 mit einem Spektralfilter 35 versehen, welcher Licht, welches vom beim Schweißen mit der Wolfram-Elektrode 10 auftretenden Lichtbogen (in der Zeichnung nicht dargestellt) abgestrahlt wird, ausblendet. Auf diese Weise wird bei der Erfassung des Bildes 32 der Wolfram-Elektrode 10 mit der Kamera 30 eine Überbelichtung infolge des intensiv leuchtenden Lichtbogens vermieden.
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Die Kamera 30 ist mit einer Auswerteeinheit 40 verbunden, welche zum einen, wie in der Zeichnungsfigur dargestellt, das Bild 32 der Kamera 30 heranzieht, um eine Kontur 50 der Wolfram-Elektrode 10 zu ermitteln. Einzelne Parameter der Kontur 50 der Wolfram-Elektrode 10 werden dabei einem Vergleich mit vorliegenden Referenzdaten verglichen. Solche Parameter sind im dargestellten Beispiel durch die Querausdehnung der Kontur 50 im Bereich der Spitze 60 der Wolfram-Elektrode 10 gebildet.
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Das Maß der Abweichung der so bestimmten Parameter von dem jeweiligen Referenzwert bildet ein Maß für die verbleibende Standzeit. Wird aufgrund der Auswertung der Kontur 50 der Wolfram-Elektrode 10 auf ein bevorstehendes Ende der Standzeit geschlossen, so liefert die Auswerteeinheit 40 ein akustisches Signal, welches einen Schweißer auf das Ende der Standzeit der Wolfram-Elektrode 10 hinweist. In nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen wird das Schweißen automatisiert durchgeführt. Dabei wird der Schweißprozess unterbrochen, sobald die Auswerteeinheit 40 ein auf das Ende der Standzeit hinweisendes elektrisches Signal abgibt oder aber den Schweißvorgang direkt unterbricht.
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Das beschriebene Verfahren wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel beim WIG-(Wolfram-Inertgas-)Engspaltschweißen durchgeführt. Alternativ wird es bei einem anderen WIG-Schweißverfahren oder bei einem sonstigen Engspaltschweißverfahren mit einer Wolfram-Elektrode durchgeführt.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Werkstück ein Teil einer erfindungsgemäßen Turbine. Alternativ oder zusätzlich ist das Werkstück ein Teil eines Turbinenläufers, eines Rotors oder einer Welle oder ein Werkstück, welches einen Turbinenläufer, einen Roter oder eine Welle aufweist.
