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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Schweißspritzern bei einem Widerstandsschweißvorgang.
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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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Während des Schweißprozesses können Tropfen geschmolzenen Metalls oder "Schweißspritzer" aufgrund der extremen Intensität von Hitze und Kraft, die an oder um die Schweißverbindung herum aufgebracht werden, periodisch ausbrechen. Dies führt zu einer schlechteren Schweißqualität und zur Verschmutzung von metallischen Oberflächen, insbesondere den Werkstückoberflächen und den Oberflächen des Schweißgeräts selbst, beispielsweise Elektrodenkappen. Eine Schweißspritzeransammlung kann ungewünschte Ergebnisse verursachen, die abhängig von dem Ort der Ansammlung variieren. Beispielsweise können Schweißspritzer, die sichtbare Oberflächen des Werkstücks oder die Sichtoberflächen bedecken, eine unansehnliche, raue Endoberfläche erzeugen, wodurch zusätzliche zeitraubende Oberflächenreinigungs- und Schweißspritzerentfernungsschritte erforderlich werden. Eine Ansammlung von Schweißspritzern an den Elektrodenkappen kann häufige Wechsel notwendig machen.
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Daher ist es beispielsweise aus der
EP 0 743 127 A2 bekannt, Schweißvorgänge auf ein Auftreten von Schweißspritzern hin zu überwachen. Hierfür wird eine Ultraschallmessung durchgeführt.
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Es ist wünschenswert, über eine einfache und dennoch genaue Methode zum Erkennen von Schweißspritzern zu verfügen, die idealerweise ohne zusätzliche Hilfs- oder Messmittel auskommt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Erkennen von Schweißspritzern bei einem Widerstandsschweißvorgang 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 Schweißspritzer durch Analyse von Elektrodenkraftverläufen erkannt werden können. Bei auftretenden Schweißspritzern wird während der Schweißung Material aus der Fügestelle herausgedrückt. Bei auftretenden Schweißspritzern setzen unter der anliegenden Elektrodenkraft die Elektroden nach und es kommt zu einer schlagartigen und signifikanten (d.h. um mehr als einen zulässigen bzw. üblichen Wert) Kraftreduzierung.
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Wird ein Auftreten von Schweißspritzern erkannt, können geeignete Gegenmaßnahmen, wie z.B. Steuer- und Regeleingriffe, ergriffen werden, um die Schweißqualität wieder zu verbessern. Insbesondere durch eine 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. Beispielsweise kann aus einem Vergleich des Elektrodenkraftverlaufs vor dem Auftreten des Schweißspritzers mit einem Referenzverlauf, der ohne Schweißspritzer aufgezeichnet wurde, eine notwendige Anpassung der Schweißzeit (Zeitverlängerung) berechnet werden. In ähnlicher Art und Weise werden auch der Schweißstrom und die Zangenkraft beeinflusst.
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Eine Überwachung des kompletten Kraftverlaufs von ihrem Auftreten bis zu ihrem Verschwinden erlaubt vorteilhaft, Schweißspritzer auch in Strompausen und während einer Nachhaltezeit zu erkennen.
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Aus dem Kraftverlauf und dem Ergebnis der Spritzererkennung können Prozessstabilitäts- und Schweißqualitätsfaktoren für diese Schweißpunkte bestimmt werden. Damit ist es möglich, auch bei Spritzer behafteten Schweißungen eine Aussage über die Qualität und die Stabilität der Produktionsanlage zu treffen. Auch diese Aussagen werden mittels eines Vergleichs des aktuellen Kraftverlaufs und eines im System vorhandenen Referenzverlaufs getroffen.
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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 einen Elektrodenkraftverlauf mit Schweißspritzern.
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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 bezeichnet, bei denen beide Schweißzangenschenkel zum Öffnen und Schließen der Schweißzange bewegt werden. Für die Bewegung der beiden Schweißzangenschenkel 20, 25 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 1, 2 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 Schweißstelle geleitet. Dadurch werden die beiden zu verbindenden Fügeteile 1, 2 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 1, 2 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 2 dargestellt, wobei die Zeit t = 0 durch den Beginn der Bestromung definiert wird. In 2 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 ist in 2 ein Elektrodenkraftverlauf 201 dargestellt, der einen signifikanten, d.h. um mehr als einen zulässigen Wert, Einbruch der Elektrodenkraft bei etwa t = 50ms zeigt. Ein solcher Krafteinbruch lässt auf das Auftreten von Schweißspritzern schließen.
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Bei auftretenden Schweißspritzern setzen unter dem anstehenden Elektrodendruck die Elektroden nach und es kommt zu einer schlagartigen Kraftreduzierung. Diese Kraftreduzierung ist typisch für Spritzerschweißungen und kann zu Steuer-, Regel- und Überwachungszwecken genutzt werden. Beispielsweise kann bei Auftreten eines Schweißspritzers in der Stromzeit diese verlängert und/oder der Schweißstrom und/oder die Elektrodenkraft erhöht werden.
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Durch eine Überwachung des Elektrodenkraftverlaufs vom Zeitpunkt der Entstehung bis zum Zeitpunkt des Verschwindens können somit Schweißspritzer als Fehlerursache erkannt werden. Werden Schweißspritzer erkannt, können die Schweißparameter für den aktuellen Schweißvorgang, wie bereits erwähnt, entsprechend angepasst werden. Die Anpassungen erfolgen bei der Schweißzeit, dem Schweißstrom und der Elektrodenkraft. Der Grad der Anpassung ergibt sich aus einem Vergleich der Elekrodenkraftverläufe (Istverlauf mit Referenzverlauf). Nach erfolgter Schweißung wird in der Nachhaltezeit zur Produktionsüberwachung aus dem gemessenen Elektrodenkraftverlauf ein Prozessstabilitäts- und Schweißqualitätsfaktor berechnet, in den auch die Spritzerinformationen einbezogen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1414610 B1 [0003]
- EP 0743127 A2 [0005]
