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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewerten eines Widerstandsschweißvorgangs.
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Stand der Technik
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Beispielsweise im automatisierten Karosserierohbau werden Schweißzangen als Schweißgeräte eingesetzt. Nach dem Schließen der Schweißzange erfolgt der Schweißablauf nach Zeitabschnitten (Vorhaltezeit, Strom- und Pausenzeiten, Nachhaltezeit), die vom Anwender festgelegt wurden.
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Eine Widerstandsschweißeinrichtung mit der Möglichkeit, den Schweißvorgang beeinflussende Schweißparameter, wie insbesondere Schweißstrom, Stromzeit und Elektrodenkraft zu steuern, ist in der
EP 1 414 610 B1 gezeigt. Hinsichtlich technischer Details von der Erfindung zugrunde liegenden Schweißgeräten wird hierauf verwiesen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, die Qualität eines Widerstandsschweißvorgangs mittels bereits während des Widerstandsschweißvorgangs erfasster Messwerte bewerten zu können, um so bereits während des Betriebs, beispielsweise für den aktuellen und/oder nächsten Schweißvorgang, eine Verbesserung durch Variation von Schweißparametern herbeiführen zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Bewerten eines Widerstandsschweißvorgangs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung eignet sich besonders für Widerstandspunktschweißverfahren. Solche Verfahren lassen sich durch Schweißsteuerungen (Recheneinheiten, z.B. speicherprogrammierbare Steuerungen, SPS) relativ exakt steuern, da die den Schweißvorgang beeinflussenden Schweißparameter (insbesondere Schweißstrom, Schweißspannung, Stromzeit, d.h. die Zeit, zu der ein Schweißstrom fließt, und Elektrodenkraft, d.h. die Kraft, mit der die Schweißelektroden gegen das Werkstück gedrückt werden) elektronisch ausreichend genau steuerbar sind.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass Informationen aus der Analyse von Elektrodenkraftverläufen bereits während des Kraftaufbaus und bis zum Kraftabbau zu Steuer-, Regel- und/oder Überwachungszwecken genutzt werden können. Beispielsweise durch die Anpassung der Elektrodenkraft, des Schweißstroms und/oder der Stromzeit an die aktuell wirkende Kraft auf die Fügeebene wird eine störsichere Produktion mit gleichbleibender Qualität gewährleistet. Auf Basis der regelmäßig während des Widerstandsschweißablaufs ermittelten Kraftwerte einer störbehafteten Schweißung kann beispielsweise durch geeignete Stellgrößen der Schweißstrom so verändert werden, dass die Kraftwerte dem gewünschten Verlauf einer störungsfreien Schweißung angenähert werden. Aus dem Kraftverlauf auch in den Prozessnebenzeiten können Prozessstabilitäts- und Schweißqualitätsfaktoren bestimmt und zur Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) des Schweißgeräts verwendet werden.
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Das Kraftsignal wird zweckmäßigerweise vom Beginn des Kraftaufbaus bis zum Öffnen der Schweißeinrichtung gemessen. Der aktuell gemessene Kraftverlauf wird mit dem Verlauf einer Referenzschweißung verglichen und aus der Abweichung dieser Signale werden Informationen zur Steuerung der Elektrodenkraft, des Schweißstroms und/oder der Stromzeit gewonnen. Nach erfolgter Schweißung wird (beispielsweise schon in der Nachhaltezeit) zur Produktionsüberwachung aus dem Kraftverlauf ein Prozessstabilitäts- und Schweißqualitätsfaktor berechnet. Die Berechnung erfolgt zweckmäßigerweise auf Basis der ermittelten Messwerte während des Widerstandsschweißablaufs. Durch Wichtung und Kombination der Teilergebnisse aus statistischen Berechnungen, wie beispielsweise Mittelwertbildung einzelner zeitlich begrenzter Abschnitte im Vergleich zu Werten einer störungsfreien Schweißung, werden Faktoren berechnet, welche mit der Qualität der Schweißung und der Stabilität des Schweißprozesses korrelieren.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Widerstandsschweißgeräts, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer X-Schweißzange.
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2 zeigt beispielhaft einen Referenzverlauf und Elektrodenkraftverläufe bei schlechter Passung.
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3 zeigt beispielhaft zwei Fügeteile bei schlechter Passung.
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4 zeigt beispielhaft einen Referenzverlauf und Elektrodenkraftverläufe bei Kantenschweißung.
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5 zeigt beispielhaft zwei Fügeteile bei fehlerhafter Randschweißung und bei fehlerhafter Kantenschweißung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist eine als X-Schweißzange 80 ausgebildete Widerstandsschweißeinrichtung mit Drehachse 90 dargestellt, welche zwei Schweißzangenschenkel 20, 25 mit je einer Schweißelektrode 30, 35 aufweist. Als X-Schweißzangen werden Schweißzangen der abgebildeten Form bezeichnet, bei denen ein oder beide Schweißzangenschenkel zum Öffnen und Schließen der Schweißzange bewegt werden. Für die Bewegung der beiden Schweißzangenschenkel 20, 25 relativ zueinander ist ein Elektrodenantrieb 10 vorhanden, der üblicherweise als Elektromotor, Hydraulikmotor oder Pneumatikmotor ausgebildet ist und eine Antriebskraft FA aufbringt. Schweißzangen werden zum Punktschweißen eingesetzt.
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Ein zu schweißendes Werkstück, meist zwei Lagen Blech 301, 302 als Fügeteile, wird zwischen den Schweißelektroden 30, 35 angeordnet, woraufhin die Schweißzange 80 mittels des Elektrodenantriebs 10 geschlossen wird, so dass die Schweißelektroden 30, 35 das Werkstück mit einer Elektrodenkraft FE einklemmen. Typische Elektrodenkräfte sind sehr hoch und bewegen sich im Bereich 1–10 kN. Die Elektrodenkraft kann anhand der geometrischen Parameter aus der Antriebskraft bestimmt werden, welche wiederum gemessen oder aus dem Antriebsstrom berechnet werden kann. Dies ist prinzipiell bekannt. Häufig befindet sich ein Kraftsensor im Elektrodenantrieb, alternativ am Zangengestell oder Zangenarm.
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Nach dem Aufbringen der Elektrodenkraft wird mit einem Schweißtransformator (nicht dargestellt) als Schweißstromquelle bei einer Schweißspannung von üblicherweise < 20 V mit unterschiedlichen Frequenzen ein Schweißstrom von mehreren Kiloampere durch die SchweißsteIle geleitet. Dadurch werden die beiden zu Fügeteile 301, 302 aufgrund des Übergangswiderstands quasi punktförmig auf die Schmelztemperatur oder eine etwas darunter liegende Temperatur erhitzt, so dass der plastische und mitunter auch der flüssige Zustand der Fügeteile lokal erreicht wird. Die Verbindung geschieht aufgrund der Elektrodenkraft FE, mit der die beiden zu verbindenden Fügeteile 301, 302 an der Berührungsstelle zusammengepresst werden; hierbei diffundieren die in Kontakt stehenden Materialien ineinander.
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Weiterhin weist die X-Schweißzange 80 hier einen sogenannten Zangenausgleich 40 auf, der insbesondere eine mittige Ausrichtung der beiden Schweißzangenschenkel 20, 25 relativ zum Werkstück ermöglicht. Der Zangenausgleich 40 weist im dargestellten Beispiel einen als Servomotor 70 ausgebildeten Zangenausgleichsantrieb, eine als Abtriebsscheibe 50 ausgebildeten Abtrieb und ein als Pleuel 60 ausgebildetes Kraftübertragungsmittel auf. Der Zangenausgleich ist demnach als Kurbeltrieb realisiert.
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Die X-Schweißzange 80 wird von einer Schweißsteuerung (Recheneinheit, z.B. SPS) 100 angesteuert, in der ein Schweißprogramm abläuft und die nach Maßgabe des Schweißprogramms den Schweißvorgang beeinflussende Parameter (insbesondere Schweißstrom, Stromzeit und Elektrodenkraft) steuert oder regelt.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird nun die Elektrodenkraft FE während des gesamten Bearbeitungsvorgangs (mit und ohne Bestromung) erfasst. Beispielhafte Kraftverläufe über die Zeit sind in den 2 und 4 dargestellt, wobei die Zeit t = 0 durch den Beginn der Bestromung definiert wird. In beiden Figuren ist ein Referenzverlauf mit 200 bezeichnet, der den Elektrodenkraftverlauf bei einem fehlerfreien Schweißvorgang darstellt. Der Referenzverlauf 200 zeichnet sich dadurch aus, dass beginnend mit der Kontaktierung des Werkstücks durch die beiden Schweißelektroden ca. bei t = –450 ms die Elektrodenkraft relativ linear ansteigt, bis sie etwa bei t = –350 ms ihren Haltewert erreicht. Während einer sich anschließenden Vorhaltezeit wird das Werkstück ohne Bestromung gehalten. Die Bestromung beginnt bei t = 0, woraufhin sich das Werkstück durch die entstehende Wärme ausdehnt, was zu einem Anstieg der Elektrodenkraft führt. Die Bestromung endet ca. bei t = 100 ms (d.h. Stromzeit ca. 100 ms), woraufhin sich das Werkstück wieder abkühlt und schwindet. Während einer Nachhaltezeit wird das Werkstück ohne Bestromung gehalten, bis bei etwa t = 200 ms die Schweißzange geöffnet wird und die Elektrodenkraft steil abfällt.
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Aus dem Verlauf der Elektrodenkraft lassen sich Rückschlüsse auf die Qualität des Schweißvorgangs ziehen, indem ein tatsächlicher Elektrodenkraftverlauf auf Abweichungen von dem Referenzkraftverlauf untersucht wird.
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Beispielsweise sind in 2 Elektrodenkraftverläufe 201 dargestellt, die einen im Vergleich zum Referenzverlauf 200 langsameren bzw. flacheren Anstieg der Elektrodenkraft beim Schließen der Schweißzange zeigen. Insbesondere wird deutlich, dass der Haltewert nicht wie bei dem Referenzverlauf 200 innerhalb von etwa 100 ms nach dem Erstkontakt, sondern eher innerhalb von ca. 200–300 ms erreicht wird. Ein solcher flacherer Anstieg als der Referenzverlauf lässt auf eine wie in 3 dargestellte schlechte Passung als Fehlerursache schließen. Bei einer schlechten Passung der hier als Bleche 301, 302 ausgebildeten Fügeteile entsteht zwischen den einzelnen Fügeteilen 301, 302 ein Luftspalt 300, der beim Schließen der Schweißzange mit zunehmender Kraft verkleinert wird. Da der Luftspalt eine größere Nachgiebigkeit als direkt aufeinander liegende Fügeteile besitzt, führt ein solcher Schließvorgang zu einer geringeren bzw. langsameren Kraftzunahme als ein fehlerfreier Fall ohne Luftspalt. Die Elektroden 30, 35 sind in 3 mit Elektrodenkappen 30a, 35a ausgestattet.
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Ein weiteres Indiz auf eine schlechte Passung als Fehlerursache liefern die Elektrodenkraftverläufe im Bereich 202 nach der Bestromung, wo die Elektrodenkraftverläufe zwar prinzipiell dasselbe Verhalten wie der Referenzverlauf 200 zeigen, nämlich einen Anstieg der Elektrodenkraft während der Bestromung und einen Abfall der Elektrodenkraft während der anschließenden Nachhaltezeit. Jedoch sind die Elektrodenkraftwerte kleiner als die des Referenzverlaufs 200. Dies ist auf eine Rückfederung der Fügeteile zurückzuführen, welche die wirksame Elektrodenkraft im Kontaktbereich der Fügeteile reduziert.
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Durch eine Überwachung des Elektrodenkraftverlaufs vom Zeitpunkt der Entstehung bis zum Zeitpunkt des Verschwindens kann somit eine schlechte Passung als Fehlerursache erkannt werden. Wird eine solche Fehlerursache erkannt, können die Schweißparameter insbesondere für den aktuellen und/oder nächsten Schweißvorgang entsprechend angepasst werden. Auf Basis der ermittelten Kraftwerte erfolgt beispielsweise in jeder Millisekunde eine Veränderung der Stellgröße eines Stellglieds, aus der sich eine Stromerhöhung ergibt.
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In 4 sind Elektrodenkraftverläufe 401 dargestellt, die im Gegensatz zum Referenzverlauf 200 keinen ausgeprägte Anstieg der Elektrodenkraft während der Bestromung und keine ausgeprägte Abnahme der Elektrodenkraft während der Nachhaltezeit zeigen. Ein solcher Elektrodenkraftverlauf deutet auf eine sogenannte Rand- oder Kantenschweißung als Fehlerquelle hin, wie anhand der 5a und 5b näher erläutert wird. Dabei wird eine Elektrode zu nah am Rand bzw. auf eine Blechkante aufgesetzt, z.B. wegen falscher Roboterpositionierung oder falschen Blechbeschnitts.
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Zwei als Bleche 501, 502 ausgebildete Fügeteile sollen an einem Rand verschweißt werden. Eine fehlerhafte Randschweißung, wie in 5a, oder fehlerhafte Kantenschweißung, wie in 5b, entsteht hierbei, wenn eine bei der Schweißung entstehende Schweißlinse 500 bis zum Rand der Fügeteile reicht. Dann wird während der Schweißung Material aus der Fügestelle herausgedrückt. Hierdurch setzen die Elektroden unter der anstehenden Elektrodenkraft nach und es kommt zu einer Kraftreduzierung. Diese Kraftreduzierung ist typisch für fehlerhafte Rand-/Kantenschweißungen und kann zu Steuer-, Regel- und Überwachungszwecken genutzt werden.
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Durch eine Überwachung des Elektrodenkraftverlaufs vom Zeitpunkt der Entstehung bis zum Zeitpunkt des Verschwindens kann somit auch eine fehlerhafte Rand- oder Kantenschweißung als Fehlerursache erkannt werden. Wird eine solche Fehlerursache erkannt, können die Schweißparameter insbesondere für den aktuellen und/oder nächsten Schweißvorgang entsprechend angepasst werden. Auf Basis der ermittelten Kraftwerte erfolgt beispielsweise in jeder Millisekunde eine Veränderung der Stellgröße eines Stellglieds, aus der sich eine Stromreduzierung ergibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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