DE102018009536B4

DE102018009536B4 - Elektrische Lichtbogenschweißanlage und Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Lichtbogenschweißanlage

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Publication number: DE102018009536B4
Application number: DE102018009536.4A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2022-06-15
Anticipated expiration: 2038-12-08
Also published as: DE102018009536A1

Abstract

Elektrische Lichtbogenschweißanlage (1) zum Fügen metallischer Werkstücke (4, 5), mit einem handführbaren Schweißbrenner (3) mit einer Schweißelektrode (10) zur Erzeugung eines Lichtbogens beim Schweißprozess, wobeidie Lichtbogenschweißanlage (1) als Lichtbogenhandschweißanlage eine Messeinrichtung zur Messung der Schweißgeschwindigkeit als Geschwindigkeit der Lichtbogenposition (11) im Verlauf des Schweißprozesses entlang einer Schweißnaht (6) aufweist,die Messeinrichtung wenigstens zwei Schwingungssensoren (15a bis 15d) aufweist, die im Umfeld einer Schweißnaht (6) zueinander beabstandet ortsfest an einem Werkstück (4) jeweils mit akustischer Ankoppelung zur Aufnahme von Körperschallsignalen anbringbar sind und damit beim Schweißprozess an der aktuellen Lichtbogenposition (11) erzeugte und durch Körperschall im Werkstück (4) weitergeleitete Schweißgeräusche (14) aufnehmbar sind,die Messeinrichtung eine Auswerteeinrichtung (16) aufweist, an die die wenigstens zwei Schwingungssensoren (15a bis 15d) angeschlossen sind und mit der durch Analyse und Auswertung von Laufzeitunterschieden der Schweißgeräusche (14) im Werkstück (4) zu den wenigstens zwei ortsfesten Schwingungssensoren (15a bis 15d) die aktuelle Lichtbogenposition (11) ermittelbar und durch Auswertungder prozessbedingten fortschreitenden Verlagerung der Lichtbogenposition (11) entlang der Schweißnaht (6) die Schweißgeschwindigkeit (v) ermittelbar ist und an der Auswerteeinrichtung (15) ausgangsseitig ein zugeordnetes, weiterleitbares Geschwindigkeitssignal, oder ein zugeordnetes, weiterleitbares Geschwindigkeitssignal zusammen mit einem aktuellen zugeordneten Lichtbogenpositionssignal, erzeugbar ist, wobei vorgesehen ist, dass an die Auswerteeinrichtung (16) ausgangsseitig eine Regeleinrichtung (8) der Lichtbogenschweißanlage (1) angeschlossen ist,dadurch gekennzeichnet,dass die Regeleinrichtung (8) der Lichtbogenschweißanlage (1) einen Sollwertsteller für eine vorgebbare Soll-Schweißgeschwindigkeit aufweist, oder eine initiale Schweißgeschwindigkeit als Soll-Schweißgeschwindigkeit vorgebbar ist, der eine bestimmte Schweißspannung oder ein bestimmter Schweißstrom zugeordnet ist und eine Regelung erfolgt, dergestalt, dass bei einem Ist-Schweißgeschwindigkeitssignal kleiner als die Soll-Schweißgeschwindigkeit die Schweißspannung oder der Schweißstrom verringert und bei einem Ist-Schweißgeschwindigkeitssignal größer als die Soll-Schweißgeschwindigkeit die Schweißspannung oder der Schweißstrom erhöht wird und/oder dass bei Schweißanlagen mit automatischer Zufuhr von Schweißdraht zusätzlich auch noch der Drahtvorschub anpassbar ist, um eine der Schweißgeschwindigkeit entsprechende Zufuhr von Zusatzmaterial in Abhängigkeit der Schweißnahtlänge einzustellen.

Description

Elektrische Lichtbogenschweißanlagen zum Fügen metallischer Werkstücke mit einem handführbaren Schweißbrenner mit einer Schweißelektrode zur Erzeugung eines Lichtbogens beim Schweißprozess und Verfahren zum Betrieb solcher Lichtbogenschweißanlagen sind allgemein bekannt. Insbesondere sind Lichtbogenschweißanlagen als Handschweißanlagen mit Stabelektroden allgemein bekannt. Weiter sind Metallschutzgasschweißanlagen als Metall-Inertgas-Schweißanlagen (MIG) oder als Metall-Aktivgas-Schweißanlagen (MAG) oder als Wolfram-Inertgas-Schweißanlagen (WIG) oder als Plasma-Schweißanlagen allgemein bekannt.
Bei allgemein bekannten automatischen Schweißvorrichtungen mit Schweiß-Robotern, welche insbesondere in der Serienproduktion eingesetzt werden, sind die Bewegungen eines Schweißkopfs hinsichtlich Weg und Geschwindigkeit sowie gegebenenfalls weitere Schweißparameter durch Programmierung vorgegeben, wodurch Schweißverbindungen mit konstant hoher Qualität herstellbar sind. Bei manuellen Schweißprozessen durch einen Schweißer, der mit subjektiv gewählter Schweißgeschwindigkeit den Schweißkopf entlang der Schweißnaht bewegt, ist die Qualität des Schweißergebnisses weitgehend vom Können und der Erfahrung des Schweißers abhängig. Die Schweißqualität kann somit variieren und kann insbesondere bei sicherheitskritischen Schweißverbindungen gegebenenfalls auch zu ungenügenden Schweißergebnissen führen. Durch die mangelnde Prozessstabilität werden daher auch besonders beim Handschweißen aufwendige Schweißnahtprüfungen nötig.
Weiter ist eine Schweißvorrichtung als Lichtbogenschweißvorrichtung bekannt ( WO 2006/042572 A1 ) mit einem Schweißkopf zur Abgabe von Schweißenergie an zu verschweißende Werkstücke und mit Sensormitteln zum Abfühlen der Lage und/oder von Lageänderungen und damit von Geschwindigkeiten des Schweißkopfs, wobei wenigstens eine Kenngröße des Schweißverfahrens in Abhängigkeit von der abgefühlten Lage und/oder Lageänderung gesteuert und geregelt beeinflussbar ist. Der Schweißkopf soll dabei durch einen Schweißroboter oder von Hand führbar sein. Konkret sind als Sensoren der Sensormittel zur Erfassung von Rotationen und/oder Translationen des Schweißkopfs mechanische Sensoren dargestellt, bei denen in einem Sensorgehäuse die aktuelle Lage von durch Bewegung verlagerbaren Medien an gegeneinander versetzten Stellen elektrisch abgetastet wird. Solche Sensoren können an der Hand, oder am Arm eines Schweißers oder am Schweißkopf angeordnet sein. Eine Lage oder Lageveränderung des Schweißkopfs kann mit einer solchen Sensorik nur relativ ungenau festgestellt werden. Für genaue Regelvorgänge und Dokumentationszwecke ist jedoch nicht die Lage oder Lageveränderung des Schweißkopfs relevant, sondern jeweils eine genaue Messung der aktuellen Lage und Geschwindigkeit des Lichtbogens bzw. des Schweißbads und der Schweißspitze. Zur Messungenauigkeit der hier verwendeten mechanischen Sensoren, kommt hier somit eine weitere Messungenauigkeit bezüglich der Lage des Lichtbogens durch den erheblichen Abstand der Sensorstellen vom Lichtbogen dazu.
Zudem ist eine gattungsgemäße Lichtbogenschweißanlage bekannt (US RE 45,398 E ) als Lichtbogenhandschweißanlage, die eine Messeinrichtung zur Messung der Schweißgeschwindigkeit als Geschwindigkeit der Lichtbogenposition im Verlauf des Schweißprozesses entlang einer Schweißnaht aufweist. Die Messeinrichtung weist Schwingungssensoren auf, die im Umfeld einer Schweißnaht zueinander beabstandet ortsfest an einem Werkstück jeweils mit akustischer Ankopplung zur Aufnahme von Körperschallsignalen anbringbar sind, um damit beim Schweißprozess an der aktuellen Lichtbogenposition erzeugte und durch Körperschall im Werkstück weitergeleitete Schweißgeräusche aufzunehmen. Die Messeinrichtung weist zudem eine Auswerteeinrichtung auf. Eine elektrische Lichtbogenschweißanlage kann somit durch Messung und Auswertung von Laufzeitunterschieden von durch Körperschall im Werkstück weitergeleiteten Schweißgeräuschen die Lage und die Geschwindigkeit der aktuellen Lichtbogenposition ermitteln. Da die Schweißgeräusche direkt an der Lichtbogenposition erzeugt werden, wird nicht die Lage des Schweißkopfs gemessen, sondern direkt die aktuelle Lichtbogenposition und Lichtbogengeschwindigkeit.
Ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Lichtbogen-Handschweißanlage ist aus DE 35 43 681 C2 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine elektrische Lichtbogenschweißanlage und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Lichtbogenschweißanlage vorzuschlagen, womit die Qualität einer Schweißverbindung mit einem handgeführten Schweißbrenner verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird bezüglich der elektrischen Lichtbogenschweißanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß Anspruch 1 weist die Lichtbogenschweißanlage als Lichtbogenhandschweißanlage eine Messeinrichtung zur Messung der Schweißgeschwindigkeit als Geschwindigkeit der Lichtbogenposition im Verlauf des Schweißprozesses entlang einer Schweißnaht auf. Die Messeinrichtung weist wenigstens zwei Schwingungssensoren auf, die im Umfeld einer Schweißnaht zueinander beabstandet ortsfest an einem Werkstück jeweils mit akustischer Ankopplung zur Aufnahme von Körperschallsignalen anbringbar sind und damit beim Schweißprozess an der aktuellen Lichtbogenposition erzeugte und durch Körperschall im Werkstück weitergeleitete Schweißgeräusche aufnehmbar sind. Die Schwingungssensoren können dabei zum Beispiel durch Mikrofone gebildet sein, wenngleich jegliche Form von Schwingungssensor geeignet ist, mit der der Körperschall, der ja im Prinzip eine Materialschwingung darstellt, erfasst werden kann. So könnten beispielsweise auch Piezosensoren Verwendung finden, um nur noch ein weiteres Beispiel zu nennen.
Die Messeinrichtung weist zudem eine Auswerteeinrichtung auf, an die die wenigstens zwei Schwingungssensoren angeschlossen sind und mit der durch Analyse und Auswertung von Laufzeitunterschieden der Schweißgeräusche im Werkstück zu den wenigstens zwei ortsfesten Schwingungssensoren die aktuelle Lichtbogenposition ermittelbar und durch Auswertung der prozessbedingten fortschreitenden Verlagerung der Lichtbogenposition entlang der Schweißnaht die Schweißgeschwindigkeit ermittelbar ist. An der Auswerteeinrichtung ist dann ausgangsseitig ein zugeordnetes weiterleitbares Geschwindigkeitssignal, gegebenenfalls zusammen mit einem aktuellen zugeordneten Lichtbogenpositionssignal erzeugbar.
Weiter ist an die Auswerteeinrichtung ausgangsseitig eine Regeleinrichtung der Lichtbogenschweißanlage angeschlossen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Regeleinrichtung der Lichtbogenschweißanlage einen Sollwertsteller für eine vorgebbare Soll-Schweißgeschwindigkeit aufweist, oder eine initiale, gegebenenfalls variierbare Schweißgeschwindigkeit als Soll-Schweißgeschwindigkeit vorgebbar ist, der eine bestimmte Schweißspannung oder ein bestimmter Schweißstrom zugeordnet ist und eine Regelung erfolgt, dergestalt, dass bei einem Ist-Schweißgeschwindigkeitssignal kleiner als die Soll-Schweißgeschwindigkeit die Schweißspannung oder der Schweißstrom verringert und bei einem Ist-Schweißgeschwindigkeitssignal größer als die Soll-Schweißgeschwindigkeit die Schweißspannung oder der Schweißstrom erhöht wird und/oder dass bei Schweißanlagen mit automatischer Zufuhr von Schweißdraht zusätzlich auch noch der Drahtvorschub anpassbar ist, um eine der Schweißgeschwindigkeit entsprechende, insbesondere gleichmäßige, Zufuhr von Zusatzmaterial in Abhängigkeit der Schweißnahtlänge einzustellen.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist an die Ausgangseinrichtung eine Anzeigeeinrichtung und/oder eine Assistenzeinrichtung für den Schweißer mit einer optischen und/oder akustischen und/oder haptischen Gebereinrichtung zur Signalisierung von Abweichungen zu vorgegebenen Sollschweißparametern und/oder eine Dokumentationseinrichtung aus einer Speichereinheit und/oder einer Druckereinheit angeschlossen.
Vorteilhaft kann hier eine elektrische Lichtbogenschweißanlage durch Messung und Auswertung von Laufzeitunterschieden von durch Körperschall im Werkstück weitergeleiteten Schweißgeräuschen die Lage und die Geschwindigkeit der aktuellen Lichtbogenposition ermittelt werden. Da die Schweißgeräusche direkt an der Lichtbogenposition erzeugt werden, wird nicht wie im Stand der Technik die Lage des mit Ungenauigkeiten bezüglich der Lage des Lichtbogens geführten Schweißkopfs gemessen sondern direkt die aktuelle Lichtbogenposition und Lichtbogengeschwindigkeit.
Bei einer Schweißanlage mit Stabelektroden ist zum Beispiel die translatorische Bewegung des Schweißkopfs durch das Abbrennen der Stabelektrode überlagert mit der Bewegung der Lichtbogenposition. Dementsprechend erlaubt eine Ermittlung der Bewegung der Elektrodenhalterung noch keine Rückschlüsse auf die Bewegung des Schweißprozesses. Insbesondere bei Metallschutzgasschweißanlagen ergeben sich Bewegungsunterschiede zwischen einem Schweißkopf und einer Lichtbogenposition bei Verdrehungen und Verschwenkungen des Schweißkopfs durch den Schweißer. Dadurch führt auch eine genaue Erfassung der Lage und Geschwindigkeit des Schweißkopfs nicht unmittelbar zu einer genauen Erfassung für Auswertezwecke der relevanten Lage und Geschwindigkeit einer aktuellen Lichtbogenposition.
Das erfindungsgemäß an der Auswerteeinrichtung erzeugbare genaue Geschwindigkeitssignal gegebenenfalls zusammen mit einem genauen Lichtbogenpositionssignal kann mit an sich bekannten angeschlossenen Mitteln und Vorrichtungen zu Regel- und Dokumentationszwecken weiter verarbeitet werden. Vorteilhaft kann aber auch ein Schweißer während des Schweißprozesses direkt mit einer Assistenzeinrichtung durch optische und/oder akustische und/oder haptische Signale, beispielsweise durch Vibration des Schweißkopfs, über Abweichungen zu vorgegebenen Sollschweißparametern informiert und zu deren Einhaltung aufgefordert werden. Ein haptisches Signal kann zum Beispiel durch die Vibration des Schweißkopfes erzeugt werden. Als optisches Signal kann insbesondere auch eine in eine Scheibe des Schutzhelmes einzublendende Information bzw. Anzeige dienen. Dies wäre eine besonders elegante Methode der Signalisierung, bei der die Scheibe des Schutzhelmes benutzt werden würde, um hier in der Art eines Head-up-Displays eine Information bzw. Anzeige direkt im Sichtbereich einzublenden.
Grundsätzlich können alle an sich bekannten Lichtbogenhandschweißanlagen mit Stabelektroden oder als Schutzgasschweißanlagen mit der erfindungsgemäßen Messeinrichtung ausgerüstet werden.
Die Genauigkeit der Messung kann dadurch gesteigert werden, dass mehr als zwei, nach Anbringung am Werkstück eine Fläche oder eine Körperstruktur aufspannende Schwingungssensoren vorgesehen und an der Auswerteeinrichtung angeschlossen sind, wodurch mehrere vergleichbare unterschiedliche Laufzeiten von Körperschallsignalen auswertbar sind.
Schweißgeräusche haben eine bestimmte Frequenzstruktur, deren entsprechende Körperschallstruktur mit unterschiedlichen Laufzeiten an den verwendeten Schwingungssensoren ankommt und in der Auswerteeinrichtung jeweils einem bestimmten Schwingungssensor zuordenbar ist. Eine regelmäßig sich wiederholende Frequenzstruktur der Schweißgeräusche entsteht bei einer Lichtbogenschweißanlage, mit der der Lichtbogen mit Wechselspannung erzeugt wird, deren Frequenz auch im Schweißgeräusch auftritt. Durch die Auswertung dieser Frequenzstruktur wird die Laufzeiterfassung und Zuordnung zu einzelnen Schwingungssensoren in der Auswerteeinrichtung sehr sicher und genau. In ähnlicher Weise kann mit einer Modulationseinheit sowohl bei Wechselstromschweißanlagen als auch bei Gleichstromschweißanlagen die Schweißspannung oder der Schweißstrom moduliert werden, um eindeutig identifizierbare Signale zu erzeugen. Weiter ist das Schweißen mit Impulslichtbogen bekannt, mit einem Grundstrom mit überlagerten Stromimpulsen, die ebenfalls im Schweißgeräusch als akustische Signale auftreten.
Eine weitere Steigerung der Messgenauigkeit ist mit einer Kalibriereinrichtung möglich, die aus einem Geräuscherzeuger besteht, mit dem vor dem Schweißvorgang in vorgegebenen Abständen entlang einer vorgesehenen Schweißnaht dort Geräusche erzeugt werden, die als Körperschallsignale von den Schwingungssensoren zu Kalibrierzwecken für Laufzeitunterschiede entlang der Schweißnaht und in der Auswerteeinrichtung für Vergleiche mit aktuellen Laufzeiten beim Schweißvorgang speicherbar sind. Insbesondere zu Schweißnähten mit hohen Qualitätsanforderungen, beispielsweise bei sicherheitsrelevanten Schweißnähten, kann eine solche Kalibrierung durchgeführt werden, wobei dann der Kalibrieraufwand vertretbar ist. Konkret kann eine Kalibriereinrichtung als Geräuscherzeuger relativ einfach durch ein Rad bekannten Umfangs ausgeführt werden, mit dem pro Umdrehung eine definierte Anzahl von Klopfgeräuschen im Werkstück entlang einer Schweißnaht erzeugt wird.
Die für die Messung erforderlichen Schwingungssensoren sind mit einer akustischen Kopplung an einem Werkstück anzubringen. Da für die elektrische Lichtbogenschweißanlage auch jeweils eine Masseleitung an einem Werkstück anzuschließen ist, kann vorteilhaft eine akustische Kopplungsvorrichtung eines Schwingungssensors zugleich für den Anschluss der Masseleitung ausgebildet sein, so dass beide Arbeitsvorgänge zusammen in einem Arbeitsschritt durchführbar sind.
Die Auswerteeinheit kann zusätzlich zur Einheit für die Analyse der Körperschallsignale zur Ermittlung der Lichtbogenposition und der Schweißgeschwindigkeit wenigstens eine zusätzliche Einheit zur Analyse der Körperschallsignale für die Erfassung und anschließende Dokumentation von besonderen Schweißereignissen aufweisen. Solche besondere Schweißereignisse können insbesondere die zeitweise Unterbrechung des Schweißvorgangs sein, wenn der Schweißer beispielsweise die Elektrode absetzt. Weitere besondere Schweißereignisse können Lunker- oder Porenbildungen und/oder ein seitliches Ausbrechen des Lichtbogens mit ungleichmäßigem Aufschmelzen der zugeordneten Kanten der Schweißnaht sein. Auch ungenügendes Aufschmelzen des Werkstückes durch fehlerhafte Stellung oder Abstand der Schweißelektrode können erkannt werden. Insbesondere können solche Analysen mit selbstlernenden und eine Mehrzahl von Schweißprozessen vergleichenden Verfahren durchgeführt werden. Unregelmäßigkeiten und besondere Schweißereignisse können für die Beurteilung der Qualität von Schweißverbindungen ausgewertet und herangezogen werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird hinsichtlich des Verfahrens zum Betrieb einer elektrischen Lichtbogenschweißanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 9 mit den weiteren Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 10 bis 12 gelöst.
Anhand einer Zeichnung wird eine Ausführungsform einer anmeldungsgemäßen elektrischen Lichtbogenschweißanlage näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt stark schematisiert eine Lichtbogenhandschweißanlage 1 als Metallschutzgasschweißanlage mit einem durch eine Hand 2 eines Schweißers geführten Schweißbrenner 3.
Im vorliegenden schematischen Fügebeispiel soll auf einem Werkstück 4 als Metallplatte ein senkrecht stehender Metallsteg 5 mit einer Schweißnaht 6 verbunden werden. Dazu wird in an sich bekannter Weise mit einem Schweißtrafo 7 und einer Regeleinrichtung 8, insbesondere eines Schweißspannungsreglers sowie über eine (schematisch dargestellte) Leitung 9 eine am Schweißbrenner 3 abstehende Elektrode 10 mit Schweißenergie versorgt. Dadurch wird beim Schweißprozess an der Spitze der Elektrode 10 ein Lichtbogen 11 zum Aufschmelzen der Kanten 12 der Schweißnaht 6 erzeugt. Durch die handgeführte Entlangbewegung des Schweißbrenners 3 bzw. der Elektrodenspitze und somit des Lichtbogens 11 entlang der Kanten 12 wird die Schweißnaht 6 erzeugt. Ein wesentlicher Parameter zur Erzeugung einer gleichmäßigen Schweißnaht 6 mit hoher Qualität der Schweißverbindung ist eine gleichmäßige Schweißgeschwindigkeit, das heißt eine gleichmäßige Handführung der Elektrode 10 mit gleichmäßiger Geschwindigkeit entlang der Kanten 12 der Schweißnaht 6.
Beim Schweißprozess entstehen Schweißgeräusche, die hier schematisch und beispielhaft in einem Diagramm 13 über die Zeit t aufgetragen sind, wobei hier in gleichen Zeitabständen Geräuschspitzen 14 auftreten, die beispielsweise auf einen Betrieb des Schweißbrenners 3 mit Wechselspannung oder eine Modulation der Schweißspannung oder des Schweißstromes in der Regeleinrichtung 8 zurückgehen können. Das beim Schweißprozess an der Lichtbogenposition 11 erzeugte Schweißgeräusch 14 wird, wie nachfolgend erläutert, zur Ermittlung der Schweißgeschwindigkeit, der handgeführten Elektrode 10 entlang der Schweißnaht 6 verwendet.
Dazu sind am Werkstück 4, hier beispielhaft als rechteckige Metallplatte ausgebildet, in den Eckbereichen mit akustischer Kopplung hier weiter beispielhaft vier zum Beispiel als Mikrofone ausgebildete Schwingungssensoren 15a, 15b, 15c, 15d angebracht. Das beim Schweißprozess erzeugte Schweißgeräusch wird in Form von Körperschallsignalen im Werkstück 4 zu den Schwingungssensoren 15a bis 15d weitergeleitet. Die von den einzelnen Schwingungssensoren 15a bis 15d empfangenen Körperschallsignale werden mittels Leitungen einer Auswerteeinrichtung 16 zugeführt, so dass eine Zuordnung der aufgenommenen Körperschallsignale zu einzelnen Schwingungssensoren 15a bis 15d gegeben ist. Durch die unterschiedlichen Entfernungen der Schwingungssensoren 15a bis 15d von der aktuellen Lichtbogenposition 11 ergeben sich ersichtlich Laufzeitunterschiede der Körperschallsignale, die in der Auswerteeinrichtung 16 erfasst werden und mit denen, insbesondere bei einer Vorkalibrierung die aktuelle Lage der Lichtbogenposition 11 bestimmbar ist. Bei der handgeführten Weiterbewegung der Lichtbogenposition 11 ändern sich ersichtlich die Laufzeiten der aufgenommenen Körperschallsignale zu den Schwingungssensoren 15a bis 15d. Diese Änderungen der Laufzeitunterschiede werden in der Auswerteeinrichtung 16 zur Ermittlung einer Lageänderung der Lichtbogenposition 11 ausgewertet und in Verbindung mit einer erfassten Schweißzeit zu einem Geschwindigkeitssignal verrechnet, welches ausgangsseitig an der Auswerteeinrichtung 16 für diverse Weiterverwendungen zur Verfügung steht.
Beispielhaft wird hier das ausgangsseitige Geschwindigkeitssignal mit einer Leitung 17 einer Anzeigeeinrichtung 18 in der Art einer Bildschirms zugeführt, auf dem die Schweißgeschwindigkeit v analog und/oder digital gegebenenfalls in Verbindung mit der Darstellung einer aktuellen Lichtbogenposition angezeigt wird. Beispielhaft wird zudem über eine Leitung 19 das ausgangsseitige Geschwindigkeitssignal einer Assistenzeinheit 20 zugeführt, welche den Schweißer bei seiner Schweißtätigkeit unterstützen kann und an die ausgangsseitig optische und/oder akustische und/oder haptische Gebereinrichtungen angeschlossen sind zur Signalisierung von Abweichungen zu vorgegebenen Soll-Schweißparametern, insbesondere von Abweichungen zu einer Soll-Schweißgeschwindigkeit.
Weiter ist mittels einer Leitung 21 ein von der Auswerteeinrichtung ausgangsseitig angegebenes Geschwindigkeitssignal einer Dokumentationseinrichtung 22 zugeführt, die hier beispielhaft aus einer Speichereinheit 23 und einer daran angeschlossenen Druckereinheit 24 besteht, mit der in üblicher Weise eine Dokumentation, hier einer Schweißqualität erfolgen kann.
Mit der Auswerteeinheit 16 können zudem weitere Analysen der von den Schwingungssensoren 15a bis 15d aufgenommenen Körperschallsignale bzw. Schweißgeräusche 14 durchgeführt werden, wodurch dann besondere Schweißereignisse erfasst werden können und auch angezeigt und dokumentiert werden können. Solche besonderen Schweißereignisse, die insbesondere auch Auswirkungen auf die Schweißqualität haben können, sind beispielsweise zeitweise Unterbrechungen des Schweißvorgangs und/oder Lunkerbildungen und/oder ein seitliches Ausbrechen des Lichtbogens mit ungleichmäßigem Aufschmelzen der zugeordneten Kanten der Schweißnaht. Solche Analysen können insbesondere durch Vergleiche und Zuordnungen zu früheren Geräuschmustern insbesondere mit selbstlernenden Einheiten ausgeführt werden.
Weiter ist hier beispielhaft mit einer Leitung 25 das an der Auswerteinrichtung ausgangsseitig zur Verfügung gestellte Geschwindigkeitssignal, gegebenenfalls zusammen mit einem aktuellen zugeordneten Lichtbogenpositionssignal der Regeleinrichtung 8 zugeführt. An der Regeleinrichtung 8 kann mit einem (nicht dargestellten) Sollwertsteller eine Soll-Schweißgeschwindigkeit vorgegeben werden. Alternativ kann auch von der Auswerteeinrichtung 16 eine anfängliche Schweißgeschwindigkeit als Soll-Schweißgeschwindigkeit vorgegeben werden, der eine bestimmte Schweißspannung oder ein bestimmter Schweißstrom zugeordnet wird. Die Regeleinrichtung 8 kann hier beispielhaft so eingreifen, dass bei einer erfassten Ist-Schweißgeschwindigkeit kleiner als die Soll-Schweißgeschwindigkeit die Schweißspannung oder der Schweißstrom verringert und bei einer erfassten Ist-Schweißgeschwindigkeit größer als die Soll-Schweißgeschwindigkeit die Schweißspannung oder der Schweißstrom erhöht wird, um ein möglichst gleichmäßiges Aufschmelzen der Kanten der Schweißnaht 6 zu gewährleisten.
Der Schwingungssensor 15a ist hier mit einer (nicht detailliert dargestellten) Kopplungsvorrichtung, beispielsweise einer Klammer oder einer Magnethalterung bei Stahlwerkstoffen, akustisch mit dem Werkstück 4 gekoppelt, mit der zudem der Anschluss einer Masseleitung 26 am Werkstück 4 durchgeführt ist.

Claims

Elektrische Lichtbogenschweißanlage (1) zum Fügen metallischer Werkstücke (4, 5), mit einem handführbaren Schweißbrenner (3) mit einer Schweißelektrode (10) zur Erzeugung eines Lichtbogens beim Schweißprozess, wobei die Lichtbogenschweißanlage (1) als Lichtbogenhandschweißanlage eine Messeinrichtung zur Messung der Schweißgeschwindigkeit als Geschwindigkeit der Lichtbogenposition (11) im Verlauf des Schweißprozesses entlang einer Schweißnaht (6) aufweist, die Messeinrichtung wenigstens zwei Schwingungssensoren (15a bis 15d) aufweist, die im Umfeld einer Schweißnaht (6) zueinander beabstandet ortsfest an einem Werkstück (4) jeweils mit akustischer Ankoppelung zur Aufnahme von Körperschallsignalen anbringbar sind und damit beim Schweißprozess an der aktuellen Lichtbogenposition (11) erzeugte und durch Körperschall im Werkstück (4) weitergeleitete Schweißgeräusche (14) aufnehmbar sind, die Messeinrichtung eine Auswerteeinrichtung (16) aufweist, an die die wenigstens zwei Schwingungssensoren (15a bis 15d) angeschlossen sind und mit der durch Analyse und Auswertung von Laufzeitunterschieden der Schweißgeräusche (14) im Werkstück (4) zu den wenigstens zwei ortsfesten Schwingungssensoren (15a bis 15d) die aktuelle Lichtbogenposition (11) ermittelbar und durch Auswertung der prozessbedingten fortschreitenden Verlagerung der Lichtbogenposition (11) entlang der Schweißnaht (6) die Schweißgeschwindigkeit (v) ermittelbar ist und an der Auswerteeinrichtung (15) ausgangsseitig ein zugeordnetes, weiterleitbares Geschwindigkeitssignal, oder ein zugeordnetes, weiterleitbares Geschwindigkeitssignal zusammen mit einem aktuellen zugeordneten Lichtbogenpositionssignal, erzeugbar ist, wobei vorgesehen ist, dass an die Auswerteeinrichtung (16) ausgangsseitig eine Regeleinrichtung (8) der Lichtbogenschweißanlage (1) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (8) der Lichtbogenschweißanlage (1) einen Sollwertsteller für eine vorgebbare Soll-Schweißgeschwindigkeit aufweist, oder eine initiale Schweißgeschwindigkeit als Soll-Schweißgeschwindigkeit vorgebbar ist, der eine bestimmte Schweißspannung oder ein bestimmter Schweißstrom zugeordnet ist und eine Regelung erfolgt, dergestalt, dass bei einem Ist-Schweißgeschwindigkeitssignal kleiner als die Soll-Schweißgeschwindigkeit die Schweißspannung oder der Schweißstrom verringert und bei einem Ist-Schweißgeschwindigkeitssignal größer als die Soll-Schweißgeschwindigkeit die Schweißspannung oder der Schweißstrom erhöht wird und/oder dass bei Schweißanlagen mit automatischer Zufuhr von Schweißdraht zusätzlich auch noch der Drahtvorschub anpassbar ist, um eine der Schweißgeschwindigkeit entsprechende Zufuhr von Zusatzmaterial in Abhängigkeit der Schweißnahtlänge einzustellen.
Elektrische Lichtbogenschweißanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenschweißanlage (1) eine Handschweißanlage mit Stabelektroden oder eine Metallschutzgasschweißanlage als Metall-Inertgas-Schweißanlage (MIG) oder als Metall-Aktivgas-Schweißanlage (MAG) oder eine Wolfram-Inertgas-Schweißanlage (WIG) oder eine Plasma-Schweißanlage ist.
Elektrische Lichtbogenschweißanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei, nach Anbringung am Werkstück eine Fläche oder eine Körperstruktur aufspannende Schwingungssensoren (15a bis 15d) vorgesehen und an der Auswerteeinrichtung (16) angeschlossen sind.
Elektrische Lichtbogenschweißanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenschweißanlage (1) den Lichtbogen mit Wechselspannung oder mit durch eine Modulationseinheit modulierter Schweißspannung oder als Impulslichtbogen mit einem Grundstrom mit überlagerten Stromimpulsen erzeugt.
Elektrische Lichtbogenschweißanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenschweißanlage (1) weiter eine Kalibriereinrichtung aufweist bestehend aus einem Geräuscherzeuger, mit dem vor dem Schweißvorgang in vorgegebenen Abständen entlang einer vorgesehenen Schweißnaht (6) Geräusche erzeugbar sind, die als Körperschallsignale von den Schwingungssensoren (15a bis 15d) zu Kalibrierzwecken für Laufzeitunterschiede entlang der Schweißnaht (6) erfassbar und in der Auswerteeinrichtung (16) für Vergleiche mit aktuellen Laufzeiten beim Schweißvorgang speicherbar sind.
Elektrische Lichtbogenschweißanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibriereinrichtung als Geräuscherzeuger ein Rad bekannten Umfangs aufweist, mit dem pro Umdrehung eine definierte Anzahl von Klopfgeräuschen im Werkstück erzeugbar ist.
Elektrische Lichtbogenschweißanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens bei einem Schwingungssensor (15a bis 15d) die akustische Kopplungsvorrichtung zum Werkstück (4) zusätzlich zum Anschluss der Masseleitung (26) ausgebildet ist.
Elektrische Lichtbogenschweißanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (16) zusätzlich zur Einheit für die Analyse der Körperschallsignale zur Ermittlung der Lichtbogenposition (11) und der Schweißgeschwindigkeit wenigstens eine zusätzliche Einheit zur Analyse der Körperschallsignale für die Erfassung und anschließende Dokumentation von besonderen Schweißereignissen, wie zeitweise Unterbrechung des Schweißvorgangs und/oder Lunker- oder Porenbildungen und/oder seitliches Ausbrechen des Lichtbogens mit ungleichmäßigem Aufschmelzen der zugeordneten Kanten (12) der Schweißnaht (6) aufweist.
Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Lichtbogenschweißanlage zum Fügen metallischer Werkstücke nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem handführbaren Schweißbrenner (3) mit einer Schweißelektrode (10) mit dem ein Lichtbogen beim Schweißprozess erzeugt wird, wobei mit einer Messeinrichtung die Schweißgeschwindigkeit als Geschwindigkeit der Lichtbogenposition (11) im Verlauf des Schweißprozesses entlang einer Schweißnaht (6) gemessen wird, dazu wenigstens zwei Schwingungssensoren (15a bis 15d) im Umfeld einer Schweißnaht (6) zueinander beabstandet ortsfest an einem Werkstück (4) jeweils mit akustischer Ankoppelung zur Aufnahme von Körperschallsignalen angeordnet werden und damit beim Schweißprozess an der aktuellen Lichtbogenposition (11) erzeugte und durch Körperschall im Werkstück (4) weitergeleitete Schweißgeräusche (14) aufgenommen werden, mit einer Auswerteeinrichtung (16) der Messeinrichtung, an die die wenigstens zwei Schwingungssensoren (15a bis 15d) angeschlossen sind, Laufzeitunterschiede der Schweißgeräusche (14) im Werkstück (4) zu den wenigstens zwei ortsfesten Schwingungssensoren (15a bis 15d) analysiert und ausgewertet werden und daraus die aktuelle Lichtbogenposition (11) festgestellt wird und dass die durch den Schweißer durchgeführte fortschreitende Verlagerung der Lichtbogenposition (11) entlang der Schweißnaht (6) ermittelt und daraus die Schweißgeschwindigkeit (8) berechnet wird und an der Auswerteeinheit (16) ausgangsseitig ein zugeordnetes, weiterleitbares Geschwindigkeitssignal, gegebenenfalls zusammen mit einem aktuellen zugeordneten Lichtbogenpositionssignal, erzeugt wird, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass das Geschwindigkeitssignal, gegebenenfalls zusammen mit einem aktuellen Lichtbogenpositionssignal, einer Regeleinrichtung (8) der Lichtbogenschweißanlage (1) und/oder einer Anzeigeeinrichtung (18) und/oder einer Assistenzeinrichtung (20) für den Schweißer mit einer optischen und/oder akustischen und/oder haptischen Gebereinrichtung und/oder einer Dokumentationseinrichtung (22) aus einer Speichereinheit (23) und/oder einer Druckereinheit (24) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Sollwertsteller der Regeleinrichtung (8) der Lichtbogenschweißanlage (1) eine Soll-Schweißgeschwindigkeit eingestellt wird oder eine in der Auswerteeinrichtung (16) festgestellte, initiale oder eine initiale und im Verlauf der Schweißnaht (6) veränderbare Schweißgeschwindigkeit als Soll-Schweißgeschwindigkeit vorgegeben wird, der eine bestimmte Schweißspannung oder ein bestimmter Schweißstrom zugeordnet ist und ein Regler bei einem Ist-Schweißgeschwindigkeitssignal kleiner als die Soll-Schweißgeschwindigkeit die Schweißspannung oder den Schweißstrom verringert und bei einem Ist-Schweißgeschwindigkeitssignal größer als die Soll-Schweißgeschwindigkeit die Schweißspannung oder den Schweißstrom erhöht und/oder dass bei Schweißanlagen mit automatischer Zufuhr von Schweißdraht zusätzlich auch noch der Drahtvorschub anpassbar ist, um eine der Schweißgeschwindigkeit entsprechende Zufuhr von Zusatzmaterial in Abhängigkeit der Schweißnahtlänge einzustellen.
Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Lichtbogenschweißanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenschweißanlage (1) mit einer Kalibriereinrichtung mit einem Geräuscherzeuger, vor dem Schweißvorgang kalibriert wird, wobei entlang einer vorgesehenen Schweißnaht (6) in vorgegebenen Abständen Geräusche erzeugt werden, die als Körperschallsignale von den Schwingungssensoren (15a bis 15d) zu Kalibrierzwecken für Laufzeitunterschiede entlang der Schweißnaht (6) erfasst und in der Auswerteeinheit (16) für Vergleiche mit aktuellen Laufzeiten beim Schweißvorgang gespeichert werden.
Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Lichtbogenschweißanlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigstens einem Schwingungssensor (15a bis 15d) bei der akustischen Kopplung zum Werkstück (4) zusätzlich die Masseleitung (26) angeschlossen wird.
Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Lichtbogenschweißanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Auswerteeinrichtung (16) durch weitere Analysen der Körperschallsignale besondere Schweißereignisse erfasst und dokumentiert werden, wie zeitweise Unterbrechungen des Schweißvorgangs und/oder Lunker- oder Porenbildungen und/oder seitliches Ausbrechen des Lichtbogens mit ungleichmäßigem Aufschmelzen der zugeordneten Kanten (12) der Schweißnaht (6).